2.1 Бетон как материал для бетонных и железобетонных конструкций

Бетон должен обладать достаточно высокой проч­ностью, хорошим сцеплением с арматурой и плотностью, которой обеспечивается сохранность арматуры от коррозии и долговечность конструкции. Иногда дополнительно требуется обеспечить водоне­проницаемость, водостойкость, меньшую массу, низкую тепло- и звукопроводность.

Для предварительно напряженных конструкций применяют бетон повышенной прочности и плотности, ограниченной усадки и ползучести.

Физико-механические свойства бетона зависят от состава смеси, вида вяжу­щего и заполнителей, водовяжущего отношения, способов приготовления, уклад­ки и обработки бетонной смеси, условий твердения (естественное твердение, пропаривание, автоклавная обработка), возраста бетона и др. Все это следует учитывать при выборе материалов для бетона, назначения его состава и спосо­бов приготовления.

Бетон для конструкций, подвергающихся действию агрессивной среды, дол­жен обладать достаточной коррозионной стойкостью. В таких условиях эксплуа­тации находятся, например, конструкции зданий и сооружений химической и пищевой промышленности, водопроводно-канализационные и др.

Коррозия бетона происходит в результате проникания в его толщу агрес­сивных веществ, вызывающих разрушение цементного камня. Поэтому основной способ повышения коррозионной стойкости бетона – увеличение его плотности и водонепроницаемости и применение цементов с низким содержанием свободной гидроокиси кальция и трехкальциевого алюминия (сульфатостойкий, глиноземи­стый, шлаковый и др.). Для защиты бетона от проникания агрессивных веществ поверхность конструкций торкретируют, затирают, покрывают жидким стеклом, пленками из пластмасс, битумными материалами, лаками и красками или обли­цовывают керамическими кислотоупорными плитками и т. п.

При действии на конструкцию неорганических кислот эффективно примене­ние кислотостойкого бетона, приготовляемого из жидкого стекла с молотой кремнеземистой добавкой и кремнефтористым натрием, и плотных кислотостойких заполнителей (кварцевого песка, щебня из андезита, гранита, кварцита и др.).

Высокой коррозионной стойкости по отношению ко многим видам агрессив­ных сред отличаются полимербетоны, бетонополимеры и пластбетоны.

2.2 Прочность бетона

При осевом сжатии бетонного образца возникают деформации в продольном и поперечном направлениях. Бетон является неоднородным материалом. Вокруг пор и пустот бетона происходит концентрации напряжений и появляются микротрещины. По мере увеличения нагрузки напряжения каждой из пор и пустот накладываются друг на друга. В результате в бетонном образце возникают сжимающие напряжения, направленные параллельно сжимающей силе и растягивающие напряжения, направленные в поперечном направлении. Микротрещины соединяются и образуют видимые трещины, которые направлены параллельно сжимающей силе. Разрушение образца наступает вследствие нарушения сплошности бетона в поперечном направлении.

Так как бетон неоднородный материал, то на его прочность влияют следующие факторы:

- технологические факторы;

- возраст и условия твердения;

- форма и размеры образца;

- вид напряженного состояния.

Влияние возраста бетона на его прочность. Бетон набирает прочность в течение длительного времени. Основной рост прочности бетона, изготовленного на портландцементе, происходит в первые 28 дней. В первые дни прочность бетона нарастает наиболее интенсивно. Это происходит из-за длительного окаменения цементного раствора. В условиях влажной среде бетон может набрать прочность больше и быстрее чем в условиях сухой среды. В среднем можно ожидать увеличение прочности бетона а конструкции в течение года. Проводились эксперименты и наблюдалось увеличение прочности бетона в течение 11 лет. При повышении температуры среды также наблюдается увеличении скорости набора прочности бетона. В связи с этим на заводах изготовителях бетонные конструкции при твердении подвергают тепловой обработке при температуре 90⁰С и влажности 100%. В этих условиях бетон за сутки набирает 70% прочность.

Влияние формы и размеров образца на прочность бетона. При испытаниях бетонных образцов на сжатие влияние на прочность бетона оказывают силы трения, развивающиеся между подушками пресса и прилегающими к ним гранями образцов. Силы трения, направленные внутрь образца, препятствуют свободному развитию попе­речных деформаций и тем самым увеличивают сопротивление бетона. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцов снижается, поэтому бетонный кубик при разрушении получает форму двух усеченных пирамид, обращенных друг к другу вершинами.

Однако стоит устранить силы трения (например, смазкой парафином соприкасающихся поверхностей), как характер разрушения сразу же изменится. Трещины примут вертикальное направление, а сопротивление кубика сжатию значительно снизится. При испытаниях по стандарту поверхности не смазывают.

Испытания производят для стандартных образцов 15х15х15см. Все нормы установлены для тех же стандартных образцов. Кубиковая прочность бетона R. При увеличении размера куба временное сопротивление бетона сжатию уменьшается, а при уменьшении размеров – увеличивается.

По этой же причине образцы призматической формы, для которых влияние сил трения меньше, чем для кубиков, при одинаковом поперечном сечении показывают меньшую прочность. С увеличением отношения высоты призмы h к стороне основания а прочность уменьшается, но при h/a ≥3-4 прочность призм практически становится постоянной. Ввиду слабого влияния сил трения при достаточно большом отношении h/а призмы разрушаются вследствие образования продольных трещин. При относительно большом влиянии сил трения разрушение призм может произойти по наклонной плоскости от среза.

Кубиковая прочность бетона R (для кубиков размером 150х X 150х150 мм) и призменная прочность R_b (для призм с отно­шением высоты к основанию h/a≥4} связаны определенной зависимостью: R_b/R=0,77-0,001R (МПа). Призменную прочность используют при расчете изгибаемых и сжатых бетонных и железо­бетонных конструкций (балок, колонн, сжатых элементов ферм,арок и др.).

На результаты испытания оказывает влияние скорость загружения образцов. При замедленном (длительном) загружении показатель прочности бетона может снизиться на 10-15% по сравнению с кратковременным (в течение нескольких часов). При мгновенном загружении (в течение 0,2 с и менее) показатель прочности бетона, наоборот, возрастает (до 20%).

Влияние вида напряженного состояния на прочность бетона. Прочность бетона при осевом растяжении R_p 10-20 раз ни­же, чем при сжатии. Причем с увеличением кубиковой прочности бетона относительная прочность его при растяжении снижается. Предел прочности бетона при растяжении связан с кубиковой прочностью эмпирической формулой (МПа)

При изгибе бетонной балки в связи с развитием упругих и плас­тических деформаций, а также различным сопротивлением бетона сжатию и изгибу эпюра напряжений по высоте сечения будет иметь криволинейное очертание. Отклонение от прямолинейного очерта­ния тем больше, чем ближе значения напряжений к разрушающим. Поэтому величина предела прочности бетона на растяжение при изгибе

R_р.и =6M/(bh²),

не учитывающая пластические деформации, оказывается выше R_р. Отношение R_р.и/R_р, называемое коэффициентом изгиба, для различ­ных бетонов колеблется в широких пределах; в среднем оно равно 1,7. Прочность бетона при растяжении

R_р=6М/(1,7bh²)=3,5М/(bh²).

При чистом срезе, редко встречающемся на практике, предел прочности