Тема 4. Физико-механические свойства железобетона

Физико-механические свойства бетона и арматуры в значительной мере определяют свойства железобетона вместе с тем, вследствие сцепления бетона и арматуры, такие явления как усадка, ползучесть, температурные деформации в железобетоне протекают несколько иначе, чем в неармированном бетоне.

Сцепление арматуры с бетоном

Под сцеплением понимают явление, при котором забетонированный стержень оказывает сопротивление при его выдергивании из бетона или проталкиванию через бетон.

При значительной заделке стержней в бетоне это сопротивление может быть настолько велико, что прежде будет преодолена прочность стальной арматуры на растяжение, чем сцепление ее с бетоном по окружности стержня.

Сцепление арматуры с бетоном обеспечивает их совместную работу. Если сцепление нарушено, то конструкция может разрушиться, даже если ее прочность в сечении, где изгибающий момент достигает максимального значения, обеспечена. Особенно важно обеспечить надежное сцепление арматуры в приопорной зоне, где скалывающие напряжения достигают наибольшего значения, что следует из формулы Журавского τ = QS / Jb. При недостаточном сцеплении к концам стержней приваривают коротыши или делают крюки.

Сцепление существенно влияет на величину раскрытия трещин в растянутой зоне балки и на ее деформации (прогибы)

С повышением прочности арматуры проблема сцепления приобретает особую актуальность. Поэтому стержневая арматура классов А-II, А-III и выше имеет профилированную поверхность, что обеспечивает повышение сцепления арматуры с бетоном.

Причины, вызывающие сцепление

1.Склеивание. Его доля составляет около 10 % от полного сопротивления выдергиванию профилированной арматуры и 25 % - для гладкой арматуры.

2. Силы трения, которые возникают при сдвиге стержня относительно бетона и определяются обжатием бетона за счет усадки при его твердении. Для гладкой арматуры - 75 %, для периодической - 15-20 %.

3. Зацепление в бетоне выступов на поверхности арматуры периодического профиля, которое оказывает наибольшее влияние на прочность ее сцепления.

На величину сцепления оказывают влияние следующие факторы:

- сцепление возрастает в уменьшением В/Ц с одновременным хорошим уплотнением бетона при укладке и увлажнении в первый период твердения;

- при благоприятных условиях (влажность и температура окружающей среды) сцепление возрастает с возрастом бетона;

- ранее замораживание железобетона ведет к резкому понижению сцепления арматуры с бетоном;

- хомуты и, особенно, поперечные стержни в сварных каркасах существенно улучшают сцепление;

- применение более тонкой арматуры при заданной площади сечения растянутой арматуры увеличивает сцепление пропорционально корню квадратному из числа стержней.

С увеличением диаметра стержня и напряжения в нем σ₁ прочность сцепления при сжатии увеличивается, а при растяжении уменьшается, поэтому диаметр растянутых стержней следует ограничивать.

Экспериментально установлено, что напряжение сцепления на длине заделки стержня распределяются неравномерно. Выдергивающая сила воспринимается только определенным участком заделанного в бетоне стержня. Увеличение длины заделки сверх длины участка сцепления не меняет напряженного состояния.

С реднее напряжение можно определить

τ_m = N / l₃ U,

где U – периметр заделанных стержней.

Наименьшую необходимую длину можно определить из условия равенства усилий растяжения арматуры усилию сопротивления стержня скольжению N_раст = N_сц .

Усадка железобетона

В железобетонных элементах стальные стержни арматуры вследствие из сцепления с бетоном становятся внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Стесненные деформации усадки бетона приводят к появлению в железобетонных элементах начальных внутренних напряжений – растягивающих в бетоне и сжимающих в арматуре.

При усадке железобетона растягивающие напряжения в бетоне зависят от свободной усадки бетона, содержания арматуры и прочности бетона.

С увеличением содержания арматуры в бетоне растягивающие напряжения увеличиваются и если они достигают временного сопротивления растяжению бетона R_bt , возникают усадочные трещины. Начальные напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние усадки уменьшается.

Ползучесть железобетона

Ползучесть бетона приводит к изменению напряженно-деформированного состояния в железобетоне, поскольку арматура, являясь внутренней связью, препятствует свободным деформациям ползучести бетона. В железобетонных элементах под нагрузкой стесненная ползучесть приводит к перераспределению усилий между арматурой и бетоном. Процесс перераспределения усилий протекает интенсивно в течение примерно 200 дней, а затем постепенно затухает (в течение года).

В центрально сжатых железобетонных элементах при наличии надежной поперечной арматуры, препятствующей выпучиванию продольной арматуры, напряжение в арматуре увеличивается, а в бетоне уменьшается. Причем напряжения в арматуре достигают предела текучести, а в бетоне предела прочности при сжатии (R_B).

В изгибаемых железобетонных элементах ползучесть бетона вызывает увеличение прогибов за счет увеличения деформаций в сжатой зоне, что следует из известного выражения

где ε _а – деформация арматуры в растянутой зоне;

ε _бс – деформация бетона сжатой кромки.

Ползучесть и усадка бетона в железобетоне протекают одновременно и совместно влияют на работу элементов железобетонных конструкций.

Влияние температуры на железобетон

Кратковременное действие высоких температур возникает при пожарах. При их длительности до 3 часов и температуре до 1000 – 1100 ^оС бетон практически не теряет прочность, при этом происходит обезвоживание бетона, что резко увеличивает его термическое сопротивление. Однако, при длительных пожарах из-за достижения арматурой относительно высоких температур (350 – 500 ^оС) происходит полное разрушение железобетона.

Длительное воздействие высоких температур приводит к снижению прочности бетона (при t = 200 – 250 ^оС) или к полному разрушению (при t > 500 ^оС).

Основной причиной разрушения обычного бетона при длительном воздействии высоких температур является превращение гидрата окиси кальция Са (ОН)₂ , образующуюся при твердении цемента в окись кальция СаО (известь - «кипелку»), которая при гашении за счет влаги воздуха увеличивается в объеме и разрушает бетон. Причиной разрушения бетона также являются дополнительные напряжения, возникающие вследствие различия в деформациях цементного камня и заполнителя, а также неравномерного изменения объема заполнителя и ослабления самого заполнителя из-за неоднородности минералогического состава.

В статически неопределимых железобетонных конструкциях под воздействием сезонных изменений температуры возникают дополнительные усилия, которые при большой протяженности конструкций достигают больших значений. Чтобы уменьшить эти усилия, здания и сооружения большой протяженности делят на отдельные блоки температурными швами, которые обычно совмещают с усадочными швами.