1. История возникновения ЖБ. Появление железобетона  совпадает с периодом ускоренного роста промышленности, торговли и транспорта во второй половине XIX в., когда возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений. Период возникновения железобетона (1850—1885 гг.) характеризуется появлением первых конструкций нз армированного бетона во Франции (Ламбо, 1850 г.; Кунье, 1854 г.; Монье, 1867—1880 гг.), в Англии (Уилкинсон, 1854 г.), в США (Гнатт, 1855—1877 гг.). В период освоения (1885—1917 гг.) железобетон находил применение в отдельных случаях в экономически достаточно развитых странах — Англии, Франции, США, Германии, России. Железобетон применялся в перекрытиях производственных зданий, подземных трубах, колодцах, стенах, резервуарах, мостах, путепроводах, эстакадах, фортификационных и других сооружениях. В России железобетонные конструкции развивались под влиянием зарубежного опыта и отечественной практики.

2. Сущность ЖБК. Преимущества и недостатки ЖБ. Бетон, как показывают испытания, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению. Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и подверженная поперечному изгибу, в одной зоне испытывает растяжение, в другой сжатие; такая балка имеет малую несущую способность вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. Та же балка, снабженная арматурой, размещенной в растянутой зоне, обладает более высокой несущей способностью, которая значительно выше и может быть до 20 раз больше несущей способности бетонной балки. Поскольку сталь имеет высокое сопротивление растяжению и сжатию, включение ее в бетон в виде арматуры заметно повышает несущую способность сжатого элемента.

Преимущества: 1)высокая прочность; 2)долговечность; 3)огнестойкость; 4)стойкость против атмосферных явлений; 5)доступность составляющих ЖБ компонентов; 6)экономичность при изготовлении и эксплуатации; 7)эстетичность, архитектурная выразительность; 8)высокая жесткость конструкции; 9)высокая сейсмостойкость; 10)высокая экологичность и гигиеничность.

Недостатки: 1)раннее образование трещин в растянутой зоне и быстрое их раскрытие; 2)большой вес; 3)набирает прочность достаточно длительное время; 4)высокая тепло- и звукопроводность бетона.

3. Принципы постановки арматуры в ЖБ конструкциях. 1) арматура устанавливается в растянутой зоне конструкции; 2) А может устанавливаться в сжатой зоне жб конструкций, с целью уменьшения размеров сечения сжатой зоны, либо повышению его несущей способности; 3) А устанавливается для восприятия главных растягивающих напряжений; 4) А устанавливается в зонах концентрации напряжения.

4. Разновидности ЖБК. Достоинства и недостатки каждого вида. По способу возведения жб конструкции могут быть: сборные («+» индустриализация; в зим.период работы не требуют дополнительный затрат; снижение расхода материалов на устройство подмостей и опалубки; «-» трудоемкость сопряжения стыков; высокая стоимость и металлоемкость стыков; уменьшение жесткости элементов вследствие нарушения общей пространственной неразрезности (статич.неопределимость); транспортировка массивных габаритных изделий); монолитные («+» пространственная неразрезность зданий и сооружени; повышенная огнестойкость и надежность зданий и сооружений; хоршая сопротивляемость сейсмическим воздействиям; «-» сезонность работ- при низких температурах возрастает стоимость возведения; затраты на устройство опалубки; зависимость от твердения бетона в н.у.; более тяжелые условия труда на открытых площадках); сборно-монолитные ( это комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный жб работает под нагрузкой, как единое целое. Сборный жб одновременно является несъемной опалубкой и до омоноличивания воспринимает нагрузки, действующие в монтажный период, а в стадии эксплуатации работают совместно. Такие конструкции сочетают положительные стороны сборного и монолитного варианта).

5. Классификация бетонов. Классы и марки бетона. Бетон – это искусственный каменный материал, состоящий из рационально подобранной смеси, в которой крупный и мелкий заполнитель соединены между собой вяжущим.

Классификация Б: 1.По назначению: -конструкционные (несущие, ограждающие конструкции); - специальные (предъявляются различные требования). 2.По виду вяжущего:-бетон на цементных вяж. (ПЦ); -известковые вяж; -смешанные вяж; -гипсовые; - шлаковые; -специальные. 3.По плотности: -особо тяжелые(ρ>2500кг/м³); -тяжелые(ρ=2200-2500кг/м³); -мелкозернистые(ρ=1800-2200кг/м³); -легкие(ρ=800-1800кг/м³). 4.По виду заполнителя: -на плотных заполнителях(плотные гор.породы); -на пористых заполнителях(искуств. и есст.мин. порист. заполнители); - на спец.заполнителях(органич.заполнители). 5.По условиям твердения: -в есст.условиях (монолит.конструкции); -в условиях тепловлажностной обработки при атм.давлении; -в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного(автоклавное твердение). 6.По структуре: -плотные(это Б в которых пространство между крупным и мелким заполнителем заполнено цемент.вяжущим): - крупнопористые(заполнено не полностью вяжущим, а участками с порами. Эти поры образ-ся в ходе добавления спец.добавок); -поризованные (объем пор не более 7%); -ячеистые(сибит,газобетон-поры распределены хаотично по всему объему б).

Класс Б-это кубиковая прочность в МПа, с обеспеченностью 95%. (В20,25,30) В=R_m(1-α∙ϑ_m). α=1,64.

Марка Б- это средняя кубиковая прочность Б кгс/см². Марки бывают: - по морозостойкости(F) – это число выдержанных циклов попеременного замораживания и оттаивания водонасыщенных образцов, при котором прочность падает не более чем на 15%; по водонепроницаемости(W от 2 до 12) – это наиб.давление воды (МПа), при котором не наблюдается ее просачивание через стандарт.образец; -по средней плотности (D) – это гарант.собств.масса Б,контролируемая на базовых образцах согласно ГОСТу. (D от 700 до 2500); -по самонапряжению (S_p) – это гарант.значение предварительного напряжения в Б, создаваемое в результате его расшиения при наличии продольной арматуры в количестве 1% и контролируемое на базовых образцах в установлюсроки согласно ГОСТу. Эту марку определяют в зависимости от требований, предъявляемых к самонапрягающим конструкциям по трещиностойкости и жесткости.

6. Гарантированная прочность бетона для заданного класса бетона. С какой обеспеченностью она назначается. Коэффициент вариации бетона. Класс – это ряд эталонных чисел на числовой оси, привязанных к прочности на сжатие и растяжение, задаваемых при проектировании с обеспеченностью 0,95 прочностных свойств.

Значение класса бетона по прочности на сжатие – это значение, полученное при испытании кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартами в течение 28 суток при температуре 20 ± 2 ºC с учетом 95% обеспеченности прочностных свойств.

Коэффициент вариации прочности бетона – это отношение среднего квадратичного отклонения прочности бетона к среднему значению временного сопротивления бетона сжатию.

Коэффициент вариации прочности бетона определяют по зависимости:νm=σm/Rm

О пытные исследования для тяжёлых, мелкозернистых и легких бетонов показали, что коэффициент вариации прочности бетона при сжатии νm=0,135. При показателе надежности α=1,64, который характерен для обеспеченности 95% прочностных свойств (правило «двух сигм»), класс бетона по прочности на сжатии определяют по формуле: B=Rm-α·σm или B=Rm(1-α·νm)

Таким образом, гарантированная прочность заданного нормами класса бетона на сжатие равна:

B=Rm·(1-1,64·0,135)=0,78·Rm

Коэффициент вариации прочности бетона при растяжении νm=0,165, тогда гарантированная прочность заданного нормами класса бетона на растяжение равна:

Bt=Rmt·(1-1,64·0,165)=0,73·Rmt

На рис. показана кривая распределения прочности.

7. Структура бетона и его влияние на прочность и деформативность ЖБ. 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 присутствуют все три фазы: твердая, жидкая и газообразная. Это наделяет бетон упруго-пластично-ползучими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды.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

R_T^o - начало микротрещинообразования;

R_T^v - конец микротрещинообразования.

Фактически конец микротрещинообразования является пределом длительной прочности бетона, т.е.

R_T^v = R_T^(l)

где R_T^(l) - предел длительной прочности бетона

При достижении предела длительной прочности бетона количество трещин достигает максимального значения (насыщение).

R_b^sh - предел кратковременной прочности бетона (диапазон уплотнения бетона)

ν= ε_el/( ε_el +ε_ep) где ν– коэффициент упругопластичности; ε_el – упругие деформации;ε_ep – неупругие (пластические) деформации; ε_b =ε_el ε_ep – полные деформации

Если любым способом обеспечивать постоянство деформаций (т.е. обеспечивать условие υ = 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.

На прочность бетона большое влияние оказывает скорость нагружения образцов. 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.

8. Основные виды образцов для испытания при сжатии, растяжении. Влияние размеров образцов на прочность бетона при сжатии. Кубиковая и призменная прочность. За основную характеристику прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Для оценки кубиковой прочности применяют раздавливание на прессе изготовленных в тех же условиях, что и реальные конструкции кубов бетона. За стандартные образцы принимают кубы размерами150х150х150 мм, испытание которых происходит при температуре 20 ± 2 ºC через 28 дней твердения в нормальных условиях.

О пытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если кубиковая прочность бетона для базового куба с ребром 150 мм равно R , то для куба с ребром 200 мм оно уменьшается до 0,93 R, а для куба с ребром 100 мм – увеличивается до 1,1 R. Различное временное сопротивление сжатию образцов разной формы объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса, а также неоднородностью структуры бетона.

Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность R_b. Опыты на бетонных призмах со стороной основания а и высотой h показали, что призменная прочность R_b меньше кубиковой R и она уменьшается с увеличением отношения h/a.

При h/a=4 призменная прочность становится почти стабильной и равной примерно R_b ≈ 0,75 R. чем больше размер образца и больше расстояние между его торцами, тем меньше влияние сил трения. Влияние гибкости бетонного образца становится ощутимым при h/a =8.

Таким образом, призменная прочность R_b – это временное сопротивление осевому сжатию призмы R_bu с отношением сторон h/a=4.

График зависимости призменной прочности бетона от отношения

размеров испытываемого образца

Прочность бетона на осевое растяжение

С огласно опытным данным прочность бетона на растяжение R_bt в 10 – 20 раз меньше, чем при сжатии, причем относительная прочность на растяжение уменьшается с увеличением класса бетона. На практике используют опытные образцы в виде восьмерок с размером поперечного сечения 100 × 100 мм. Причиной низкой растяжимости бетона является неоднородность структуры бетона, наличие внутренних напряжений, слабое сцепление между цементным камнем.

Схема испытания образца для определения прочности бетона при осевом растяжении на разрыв

Временное сопротивление бетона осевому растяжению определяют по формуле

Rbt = Mразр/(γ·W)= Mразр/(γ·b·h³)

где Mразр - разрушающий момент; W- момент сопротивления образца прямоугольного сечения; γ- коэффициент, учитывающий криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны вследствие упруго-пластических свойств бетона

9. Связь между напряжениями и деформациями в бетоне при упругой и упругопластической работе. Модули деформаций бетона.

Начальный модуль упругости бетона при сжатии – это величина, соответствующая тангенсу угла наклона касательной к функции диаграммы , проходящей через начало координат

E_b=σ_b/ε_el или E_b=tgα₀

Модуль касательных деформаций бетона при сжатии – это величина, соответствующая тангенсу угла наклона касательной к кривой деформаций в любой заданной точке E_b^A=tgα₁

Для расчёта железобетонных конструкций используют модуль упругопластичности (секущий модуль) бетона при сжатии E_b^’ – это величина, соответствующая тангенсу угла наклона секущей, проходящей через начало координат и точку на диаграмме полных деформаций

E_b^’ =tgα₂

Схема для определения модулей деформаций в бетоне

Если выразить одно и то же напряжение через упругие деформации и полные деформации ε_el+ε_pl, то получим σ_b= ε_el· E_b^’= (ε_el+ε_pl) · E_b^’

Коэфф-т пластичности бетона равенλ= ε_pl /( ε_el+ε_pl )

Коэфф-т упругопластической деформации бетона ν=ε_el /( ε_el+ε_pl )

зависимость между секущим и начальным модулями E_b^’ =ν· E_b

Коэффициент упругопластической деформации можно выразить через коэффициент пластичности: ν=ε_el /( ε_el+ε_pl )=1-λ

Для идеально упругого материала пластические деформации малы, т.е. ε_pl ->0, ν=1.

Для идеально пластического материала упругие деформации малы, т.е. ε_pl ->8, ν=0.

Зависимость между напряжениями и деформациями ползучести выражаются мерой ползучести C_b. ε_b =σ_b/ E_b^’ =σ_b/(ν· E_b) ε_pl=λ· ε_b=λ/ν· σ_b/ E_b=φ· σ_b/ E_b =C_b· σ_b где φ=λ/ν.

Мера ползучести C_b= ε_pl /σ_b зависит от класса бетона и его начального модуля деформаций. Мера ползучести – это удельная деформация ползучести.

10. Реологические свойства бетонов. Предельная сжимаемость и предельная растяжимость бетона. Усадка – это уменьшение бетона в объеме при твердении в обычной (воздушной) среде

Отрицательное влияние усадочных напряжений учитывают косвенно конструктивной арматурой и устройством усадочных швов.

Размеры усадки бетона и изменение ее во времени зависят от многих факторов: с увеличением цемента на единицу объема возрастает усадка; с увеличением водоцементного отношения (В/Ц) усадка увеличивается; чем выше влажность при твердении бетона, тем больше усадка и т.д.

Набольшее влияние усадка оказывает в начальный период твердения, т.к. с течением времени уменьшается влажностный градиент по мере высыхания бетона, и растут кристаллические сростки, оказывающие сопротивление усадочным напряжениям.

Набухание – это увеличение бетона в объеме при твердении его в воде.

Процесс набухания бетона намного быстрее усадки. При набухании проникновение воды начинается с поверхности бетона, поэтому объем наружных слоев увеличивается, в то время как объем внутренних слоев увеличиться не успевает. Это вызывает в наружном слое бетона неопасные сжимающие напряжения, которые не учитываются при расчете железобетонных конструкций.

Ползучесть – это свойство бетона, характеризующее нарастание неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях.

Деформации ползучести бетона обусловлены его структурными несовершенствами. Абсолютная величина деформаций ползучести зависит от возраста, прочности бетона и его составляющих компонентов, влажности среды.

Ползучесть уменьшается по мере старения бетона, увеличения его прочности, уменьшения водоцементного отношения (В/Ц), увеличения влажности окружающей среды. Скорость деформаций ползучести бетона со временем затухает, асимптотически приближаясь к нулевому значению.

Рис. Деформации ползучести бетона в зависимости от скорости начального загружения

Е сли испытываемый образец загрузить по этапам и замерять деформации на каждой ступени дважды (сразу после приложения нагрузки и через некоторое время), то получится ступенчатая линия. Деформации, измеренные сразу, являются упругими. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость σb-εb становится плавной кривой

Рис. Диаграмма в сжатом бетоне

при различных этапах загружения 1 – прямая упругих деформаций; 2 – кривая полных деформаций

Релаксация – это уменьшение с течением времени напряжений при постоянной деформации

Многократное повторение циклов загрузки - разгрузки приводит к постепенному накапливанию пластических деформаций ε_pl .После достаточно большого числа циклов неупругие деформации, соответствующие данному уровню напряжений, выбираются, ползучесть достигает своего предельного значения, бетон начинает деформироваться упруго (σ_b< = R_r).

Предельные деформации бетона при сжатии (растяжении) – это относительные средние укорочения (удлинения) в момент разрушения центрально сжатых (центрально растянутых) образцов, испытанных по ГОСТу.

Предельная сжимаемость бетона при длительном действии нагрузки εbu =0,0025, предельная растяжимость εbtu =0,00015. При кратковременном действии нагрузки ε_btu ^sh=0,00015; ε_bu ^sh=0,002.

C увеличением класса бетона предельные деформации падают, с увеличением длительности приложения нагрузки – возрастают.

11. Передаточная прочность бетона. Ее величина. Передаточной прочностью называется нормируемая прочность бетона напряженно армированных изделий к моменту передачи на него предварительного напряжения арматуры (обжатия).

Отпускной прочностью называется нормируемая прочность бетона сборных изделий к моменту отпуска их с предприятия.

Из каждой пробы изготовляют либо одну серию образцов для определения отпускной прочности бетона, либо две, если отпускная прочность превышает передаточную (по одной для определения передаточной и отпускной прочности). Кроме того, не менее одного раза в сутки изготовляют дополнительную серию образцов для определения прочности бетона в возрасте 28 суток.

Фактическая величин передаточной прочности с учетом требований статистического контроля на производстве должна быть во всех случаях не менее 14МПа, а при стержневой арматуре класса Ат-VI, арматурных канатах класса К-7 и проволочной арматуре класса Вр-П без высаженных головок – не менее 20МПа. Если проектные марки бетона приняты выше минимального значения, то передаточная прочность должна так же составлять не менее 50% принятой проектной марки.