Лекция 2, 3

Тема: Физико-механические свойства бетона.

Вопросы: 1. Классификация бетонов

2. Структура бетона

3. Прочностные характеристики бетона

4. Классы и марки бетона

5. Деформативность бетона

1. Классификация бетонов

Бетон, как материал для железобетонных конструкций, должен обладать вполне определенными, наперед заданными прочностными, деформативными и физическими свойствами.

Под прочностными свойствами бетона принято понимать нормативные и расчетные характеристики бетона при сжатии и растяжении, сцепление бетона с арматурой.

Под деформативными свойствами бетона понимают сжимаемость и растяжимость бетона под нагрузкой, ползучесть и усадку, набухание и температурные деформации.

К физическим свойствам бетона относят водонепроницаемость, морозо- и жаростойкость, коррозионную стойкость, огнестойкость, тепло- и звукопроводность, кислотостойкость и др.

Свойства бетона зависят от исходных материалов (вяжущего, вида крупного и мелкого заполнителей, воды, пластифицирующих и модифицирующих добавок), способа изготовления, условий твердения и определяются его структурой. С этих позиций бетоны классифицируются по следующим признакам.

Сокращенная классификация бетонов, применяемых для несущих железобетонных конструкций, по СНиП 52-01-2003:

тяжелый бетон – бетон плотной структуры, на плотных заполнителях, крупнозернистый на цементном вяжущем, при любых условиях твердения (средняя плотность 2200…2500 кг/м³);

мелкозернистый бетон –плотной структуры, тяжелый, на мелких заполнителях, на цементном вяжущем, при любых условиях твердения (средняя плотность  1800 кг/м³);

легкий бетон – бетон плотной и поризованной структуры, на пористых заполнителях, крупнозернистый на цементном вяжущем, при любых условиях твердения;

ячеистый бетон – автоклавного и неавтоклавного твердения.

Плотные заполнители – обычно щебень из дробленых горных пород и кварцевый песок. Пористые заполнители: естественные (перлит, пемза, ракушечник) и искусственные (керамзит, шлак и т.п.). В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлитобетон, и т.д.

2. Структура тяжелого бетона и ее влияние на прочностные

и деформативные свойства

Структура бетона оказывает решающее влияние на его прочностные и деформативные характеристики. Она грубо неоднородна и формируется в виде пространственной матрицы из цементного камня, заполненной зернами крупных и мелких заполнителей (рис. 3) и пронизанной множеством микропор и капилляров, заполненных свободной водой, водяными парами и воздухом.

Структура цементного камня в бетоне также сложна и неоднородна. Цементный камень состоит из упругого кристаллического сростка и вязкой массы – незатвердевшего геля. Сочетание упругой и вязкой составляющих цементного камня наделяет этот камневидный материал своеобразными свойствами упруго-вязко-пластического тела. Эти свойства проявляются в поведении бетона под нагрузкой и во взаимодействии его с внешней средой.

Рис. 3. Структура бетона:

1 – цементный камень; 2 – щебень; 3 – песок; 4 – поры, заполненные воздухом

Структура бетона создается во время приготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси, а затем непрерывно видоизменяется в

процессе длительного твердения бетона.

Одним из важнейших факторов, влияющих на структурообразование и дальнейшую прочность бетона, является количество воды в бетонной смеси. Для химической реакции схватывания и твердения цемента теоретически требуется В/Ц = 0,15…0,2. Однако для удобоукладываемости В/Ц-отношение приходится повышать до 0,35…0,60. Излишек воды, постепенно испаряясь, образует в цементном камне многочисленные поры и капилляры.

Таким образом, структура бетона весьма сложна и неоднородна. Поэтому под нагрузкой в таком неоднородном теле возникает сложное напряженное состояние. Так, при одноосном сжатии в местах, ослабленных порами, происходит концентрация напряжений (рис. 4, а):

сжимающих в продольном направлении и растягивающих в поперечном (тогда как в сплошном теле при одноосном сжатии растягивающие напряжения отсутствуют). Поскольку в бетоне содержится большое количество пор, то напряжения у одного отверстия суммируются с напряжениями у рядом расположенного отверстия. В результате в центрально сжатом бетонном образце возникают как продольные сжимающие (основные), так и поперечные растягивающие

Р ис. 4. Схема напряженного состояния бетонного образца при сжатии:

напряжения (вторичное поле напряжений). А так как сопротивление бетона растяжению на порядок ниже, чем сжатию, то эти поперечные растягивающие напряжения вызывают по всему объему бетона микротрещины отрыва. С ростом нагрузки микротрещины развиваются, сливаются и образуются видимые магистральные трещины, разделяющие образец на части (рис. 4, б).

Ввиду специфических свойств бетона существующие теории прочности к нему неприменимы. Современные представления о прочности и деформативности бетона основаны, главным образом, на многочисленных экспериментах. Полученные в экспериментах данные усредняются и служат в качестве исходных при проектировании железобетонных конструкций.

Структурные изменения в бетоне, происходящие в процессе испытаний на осевое сжатие бетонных призм, можно проследить по диаграммам его состояния, получаемых путем ультразвуковых и тензометрических измерений. При сжатии возникают продольные (в направлении действия сжимающей силы) и поперечные деформации, величину которых замеряют тензометрическими приборами. А происходящие при этом структурные изменения оценивают по скорости прохождения ультразвуковых волн в направлении, перпендикулярном линии действия сжимающей силы (рис. 5).

При малом уровне напряжений (_b / R_b  0,15…0,25) происходит уплотнение бетона и скорость ультразвука возрастает до максимального значения, соответствующего напряжениям _b = (напряжение называется нижняя граница микротрещинообразования, т.е. наименьшее сжимающее напряжение в бетоне, при котором на границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя образуются микротрещины).

При напряжениях в бетоне, превышающих , процесс микроразрушений преобладает над уплотнением, структура бетона разрыхляется и скорость ультразвука падает. По мере увеличения нагрузки микротрещины развиваются и сливаются. Напряжение , при котором скорость прохождения ультразвука становится равной начальной (приращение скорости ), соответствует верхней границе микротрещинообразования. При более высоком уровне напряжений (_b > ) разрушение структуры протекает все более интенсивно и происходит разрушение образца вследствие отрыва частей бетона в поперечном направлении.

Рис. 5. Определение границ микротрещинообразования при нагружении бетонных призм:

а – схема испытания; б – диаграмма состояния бетона по изменению скорости прохождения

ультразвуковых волн через бетонную призму с ростом сжимающих напряжений;

1 – бетонная призма; 2, 3 – излучатель и приемник ультразвукового прибора

Таким образом, диаграмма состояния по рис. 5 характеризует процессы уплотнения, разрыхления и разрушения структуры бетона и имеет две параметрические точки – нижнюю и верхнюю границы микротрещинообразования. Уровни граничных относительных напряжений зависят от многих факторов, в частности от прочности бетона – с ее повышением эти уровни возрастают, в среднем можно принять их равными