Бетон для железобетонных конструкций

К бетону не применимы классические теории прочности, поскольку они относятся к материалам с идеализированными свойствами: суждение о его прочности и деформативности основывается на большом числе опытов. Сложность исследований напряженного состояния бетона также в том, что помимо напряжений от нагрузки «в теле» бетона возникают так называемые «собственные» напряжения, вызванные усадкой и другими причинами.

Прочность бетона. Прочность бетона зависит от ряда факторов, основными из которых являются: время и условия твердения, вид напряженного состояния, форма и размеры образцов, длительность нагружения.

Прочность бетона нарастает с течением времени. Наиболее интенсивный ее рост происходит в начальный период твердения (28 суток для портландцемента). В дальнейшем нарастание прочности замедляется, но при положительной температуре и влажной среде продолжается еще годы.

Твердение бетона существенно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью железобетонные изделия подвергаются тепловлажностной или автоклавной обработке.

Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях.

Кубиковая прочность R — временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Однако наличие сил трения, развивающихся по опорным граням (рис. 1, а), препятствует развитию свободных поперечных деформаций кубов вблизи их торцов. Если устранить влияние сил трения (например, смазкой контактных поверхностей), то трещины в образце будут проходить параллельно сжимающей силе и сопротивление куба значительно уменьшится. Согласно ГОСТу, кубы испытывают без смазки поверхностей. Вследствие влияния сил трения прочность кубов зависит от их размеров. Чем меньше размер куба, тем больше его прочность. Так, если прочность кубов с ребром 15 см принять за R, то кубы с ребром 10 см покажут прочность 1,12 R, а с ребром 20 см — 0,93 R. Поскольку реальные конструкции по форме отличаются от кубов, кубиковая прочность непосредственно в расчетах не используется, а служит только для контроля качества бетона.

Призменная прочность Rb — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм (рис. 1, б). Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы влияние трения на прочность образца уменьшается. При h/a? 4 оно практически исчезает, а прочность становится постоянной и равной 0,75 R (рис. 1, б). Значение Rb применяют в расчетах прочности сжатых и изгибаемых элементов. Призменная прочность:

Rb = цbR, (1).

где цb — экспериментальный коэффициент; цb = 0,77 — 0,001 R? 0,721.

Прочность при растяжении Rbt зависит от прочности цементного камня и сцепления его с заполнителем. При осевом растяжении прочность бетона в 10…20 раз меньше прочности на сжатие. При этом с увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при растяжении уменьшается. Прочность при растяжении:

Rbt = 5R/(45 + R). (2).

Опытным путем Rbt определяют испытаниями на разрыв образцов в виде восьмерок, на раскалывание образцов в виде цилиндров или на изгиб бетонных балок.

Прочность при местном сжатии Rb, loc имеет место, когда нагрузка действует не на всю площадь элемента, а на ее часть. В этом случае загруженная часть площади обладает большей прочностью, чем Rb, ввиду того, что в работе участвует также бетон, окружающий площадку смятия и создающий эффект обоймы. Прочность при местном сжатии:

Rb, loc = цbRb, (3).

где цb = ?Aloc2/Aloc1; Aloc1 — площадь смятия; Aloc2 — расчетная площадь, включающая площадку смятия и дополнительный участок, определяемый в соответствии с рис. 1, б .

Прочность на срез. В реальных конструкциях срез в чистом виде обычно не встречается; ему сопутствуют продольные усилия. Значение временного сопротивления срезу Rb, sh в нормах не приводится, однако при необходимости может быть определено по эмпирической формуле:

Rb, sh = 0,7vRbRb (4).

Прочность при повторных нагрузках (несколько миллионов циклов) под влиянием структурных изменений снижается.

Прочность при длительных и быстрых погружениях. При испытании бетонных образцов в лабораторных условиях нагружение осуществляют достаточно быстро [х = 20…30 H/(см2· с)]. Реальные конструкции находятся под действием нагрузки десятки лет. В этом случае в бетоне развиваются структурные изменения и неупругие деформации, приводящие к снижению его прочности. Предел длительного сопротивления бетона естественного твердения осевому сжатию принимается — 0,9 Rb. При нагрузках малой продолжительности (порыв ветра, удар, взрыв) бетон разрушается при больших напряжениях (1,1…1,2) Rb.

Деформативность бетона. Деформации могут быть силовые, развивающиеся под действием внешних сил, и температурно-влажностные, развивающиеся, в результате взаимодействия бетона с внешней средой.