МС-3-ВВ: ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНОВ
Содержание (план) темы.
§ 1. Общие сведения о физико-механических свойствах бетонов.
§ 2. Влияние структуры бетона на физико-механические свойства бетона.
§ 3. Факторы, влияющие на прочность бетона.
§ 4. Кубиковая и призменная прочность бетона при сжатии.
§ 5. Прочность бетона при растяжении.
§ 6. Классы и марки бетона.
§ 1. Общие сведения о физико-механических свойствах бетонов.
Понятие «физико-механические свойства» объединяет в себе две группы свойств: физические и механические.
Физические свойства проявляются при физических воздействиях на бетон, то есть не силовых воздействиях. Они характеризуют способность бетона сопротивляться проникновению через него тепла, звука, воды, реагировать на изменение влажности и температуры среды. Соответственно, эти свойства называются: теплопроводность, звукопроводность, водостойкость, усадка либо набухание бетона при твердении на воздухе либо в воде.
Механические свойства бетонов, как и любых материалов, проявляются при силовых воздействиях. При этом под силовыми воздействиями понимают такие внешние воздействия на материал или конструкцию, которые вызывают в них реактивные силы.
Под механическими свойствами бетона понимают его способность сопротивляться внешним силовым воздействиям без разрушения либо без существенного изменения форм и размеров образцов. Таким образом, группа механических свойств бетонов объединяет его прочностные и деформативные свойства.
При этом под прочностью бетона, как и любого материала, понимают его способность сопротивляться внешним силовым воздействиям без разрушения; а под деформативностью - его способность изменять форму и размеры образцов при внешних силовых воздействиях.
В настоящем курсе лекций нас в большей степени будут интересовать механические свойства бетона, а еще конкретнее - прочностные. Далее о прочности бетона будет предоставлена информация, необходимая для понимания основ проектирования железобетонных конструкций.
§ 2. Влияние структуры бетона на физико-механические свойства бетона.
Как известно структура бетона неоднородна, прежде всего, потому, что он состоит из разнородных компонентов, а именно: вяжущего, крупного и мелкого заполнителя, затворенных водой. Каждый из этих компонентов обладает физико-механическими свойствами, отличающимися от свойств смежных составляющих.
Понятно, что структура бетона формируется хаотично в процессе перемешивания бетонной смеси и последующего ее твердения.
С точки зрения макроструктуры бетон (в затвердевшем состоянии) можно представить в виде матрицы, роль которой выполняет цементный камень, и зерен крупного заполнителя в ней (см. рис. 3.1). Очевидно, что эти две компоненты в структуре бетона и обусловливают неоднородную макроструктуру бетона.
С другой стороны, если обратиться к структуре цементного камня, она также неоднородна, что видно на изломе любого бетонного образца после его разрушения, прежде всего, потому что он пористый. В целом цементный камень состоит из твердой, жидкой и газообразной составляющих. Твердая составляющая цементного камня - это кристаллические сростки, образующиеся после затвердения цементного теста в результате гидратации цемента. Жидкая фаза вещества в структуре бетона - это гель. И, наконец, газообразная составляющая в структуре цементного камня - это поры, заполненные воздухом после удаления свободной (химически несвязанной) воды из бетона путем испарения. Из опытов установлено, что объем пор может достигать до 30% в структуре бетона.
Наличие пор в структуре бетона существенно влияет на его физико-механические свойства.
Рассмотрим подробнее влияние пор на прочность бетона. Это удобно сделать на примере двух пластин, одна из которых сплошная, а другая с отверстием (см. рис. 3.2). Обе пластины загружены центрально приложенной сжимающей нагрузкой р. Здесь отверстие имитирует пору в структуре бетона, то есть является нарушением сплошности материала. Как известно, при сжатии элемента в сечениях, перпендикулярных линии действия сжимающей нагрузки, возникают сжимающие напряжения; а в сечениях, параллельных сжимающей нагрузке - растягивающие. В сплошной пластине оба эти вида напряжений равномерно распределены в сечениях 1-1 и 2-2. В пластине с отверстием вблизи отверстия происходит концентрация (то есть резкий всплеск) как сжимающих, так и растягивающих напряжений за счет того, что в сечении меньшая часть материала участвует в восприятии нагрузки. Так как бетон гораздо лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению, то локальное возрастание сжимающих напряжений в сечении 1-1 не представляет серьезной опасности при определенном уровне напряжений. А вот рост растягивающих напряжений вблизи отверстия может привести к разрыву бетона в продольном направлении (см. рис.3.2, сечение 2-2, трещина Т). Таким образом, наличие пор, как нарушений сплошности структуры бетона, приводит к появлению локальных микротрещин, которые по мере роста нагрузки соединяются друг с другом и становятся видимыми трещинами. В результате разрушение пластины с отверстием произойдет при меньшей нагрузке по сравнению со сплошной (если довести обе пластины до разрушения).
Рассмотренный пример свидетельствует об отрицательном влиянии наличия пор в структуре бетона на его прочность.
Практически весь спектр специфических свойств бетона обусловлен именно неоднородностью его структуры, длительностью процессов гидратации цементного геля, наличием пор в его структуре.
Рис.3.1. Макроструктура бетона: