План лекции Структура бетона Виды прочности бетона Деформативность бетона Марки и классы бетона структура бетона

План лекции Структура бетона Виды прочности бетона Деформативность бетона Марки и классы бетона структура бетона.

Лекция 1 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА План лекции.

Структура бетона.

Виды прочности бетона.

Деформативность бетона.

Марки и классы бетона.

1. СТРУКТУРА БЕТОНА Теории твердения бетона.

Кристаллизационная – (Ле Шателье 1887 г.). Согласно этой теории вяжущие, растворяясь в воде, дают перенасыщенный раствор, затем из него выпадают новообразования вследствие их меньшей растворимости в воде.

Коллоидная – (Михаэлис, 1893 г.). При взаимодействии цемента с водой образуются гели оксидов цемента, склеивающие частицы негидратированного цемента и заполнителя.

Комплексная – (Байков А.А. 1948 г.). Согласно этой теории, образование структуры бетона происходит в три этапа.

образование раствора, насыщенного по отношению к продуктам реакций.

переход новообразований в раствор в гелеобразном виде.

перекристаллизация коллоидных частиц в большие кристаллы и образование сростка.

Ни одна теория не была подтверждена экспериментально. ^ 2. Виды прочности БЕТОНА.

Прочность при срезе и скалывании.

Под чистым срезом понимают разделение элементов на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий.

^ Прочность при многократно повторных нагрузках.

Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих нагрузках) R r (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов нагрузки и разгрузки, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 1 000 000.

^ 3. Деформативность бетона.

Под деформативностью твердых тел понимают их свойство изменять размер и форму под влиянием различных факторов.

В бетоне различают деформации двух основных видов.

силовые – проявляются под действием приложенных внешних нагрузок и развиваются в направлении их действия.

несиловые (собственные деформации бетона) – проявляются вследствие изменения температуры и влажности окружающей среды. Эти деформации являются объемными и развиваются одинаково во всех направлениях.

Деформативность твердых тел обусловлена их физической природой. поэтому разделение деформаций на силовые и несиловые, предполагающее их взаимонезависимость, является условным. В действительности силовые и несиловые деформации взаимосвязаны. Например, изменение влажности или температуры образцов приводит к изменению механических характеристик (модуль упругости, меры ползучести) и тем самым способствуют проявлению силовых деформаций. ^ 3.1. силовые Деформации бетона Силовые деформации бывают мгновенными (фиксируются в момент наблюдения, развиваются одновременно с изменением напряжения и прекращаются мгновенно, как только стабилизируются напряжения) и запаздывающими . В литературе принято силовые деформации условно разделять на линейные (пропорциональные напряжению) и нелинейные (непропорциональные напряжениям). Линейные мгновенные деформации являются упругими. Под нелинейными понимают мгновенные пластические и запаздывающие деформации.

Бетон является материалом с ярко выраженными нелинейными мгновенными и запаздывающими деформациями, так называемыми упруго-пластическими свойствами. Уже при небольших напряжениях в нем кроме упругих (восстанавливающихся) деформаций развиваются необратимые (остаточные). Эти деформации зависят от характера приложения и длительности действия нагрузки, возраста бетона и режима нагружения.

Для бетона силовые деформации подразделяют на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, при длительном действии нагрузки и при многократно повторяющейся нагрузке.

^ Деформации при однократном загружении.

кратковременной нагрузкой Для испытания возьмем серию бетонных призм и будем нагружать их по эталонному режиму в несколько этапов (уровней напряжения). Деформации замеряем дважды: сразу после приложения нагрузки (мгновенные деформации) и через некоторое время после выдержки под нагрузкой (запаздывающие деформации.

Кривые зависимости «напряжения-деформации» (диаграммы ) получаются при этом ступенчатой формы. При большом числе ступеней загружения зависимость может изображаться плавной кривой, кривизна которой меняется по мере увеличения уровня напряжения.

Т.о. полная деформация бетона в любой момент времени состоит из упругой и пластической частей. Доля пластической деформации возрастает с увеличением длительности действия нагрузки, понижением прочности бетона, увеличением . при менее прочных заполнителях.

После разгрузки около 10…15 % пластических деформаций восстанавливаются. Эти деформации называются деформациями упругого последействия.

При растяжении бетона наблюдается аналогичная картина.

Рис.3.1. Диаграмма при однократном загружении кратковременной нагрузкой.

Рис.3.1. Анализ диаграммы при однократном загружении кратковременной нагрузкой. О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т.е. отношению напряжения к относительной деформации, вызываемой действием этого напряжения. Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен материал.

^ Модуль полных деформаций бетона при однократном осевом сжатии кратковременной нагрузкой является величиной переменной, геометрически его определяют как тангенс угла наклона касательной к кривой в точке с заданным напряжением.

где - масштабно-размерный коэффициент.

В расчетах железобетонных конструкций удобнее использовать начальный модуль упругости бетона . Устанавливают его при определенном значении Начальный модуль упругости геометрически представляется как тангенс угла наклона касательной, проведенной из начала координат к диаграмме деформирования бетона.

Для взаимосвязи полных деформаций бетона с напряжениями применяют условный модуль упругопластичности . который определяют как тангенс угла наклона секущей, проведенной из начала координат диаграммы в точку с заданным напряжением.

Рис.3.2. Зависимость между деформациями и напряжениями бетона В расчетах часто зависимость между начальным модулем упругости и модулем упругопластичности бетона выражают через коэффициент упругопластичности.

Выразим напряжения через соответствующие модули упругости.

Поскольку левые части в приведенных выражениях равны, то равны и правые части.

откуда где - коэффициент упругопластичности бетона. Этот коэффициент зависит от длительности действия нагрузки и характера окружающей среды. При кратковременном действии нагрузки принимают , при длительном действии.

При осевом растяжении диаграмма также криволинейна. Начальные модули упругости при растяжении и сжатии могут быть приняты одинаковыми. Тогда модуль упругопластичности бетона при растяжении.

где - коэффициент упругопластичности бетона при растяжении.

На практике используют эмпирические зависимости модуля упругости от различных факторов. Для расчета железобетонных конструкций важна зависимость модуля упругости от класса бетона В.

Из многочисленных эмпирических формул, используемых для установления зависимости между начальным модулем упругости и классом для тяжелого бетон при сжатии, можно привести формулу.

для легкого бетона где - плотность бетона, кг/м 3 ; В – класс бетона, МПа.

Значение при тепловой обработке бетона снижается на 10 %, при автоклавной – на 25 %. Бетоны на пористых заполнителях обладают в 1,5…2 раза меньшим значением начального модуля упругости, поэтому являются более деформативными по сравнению с бетонами на плотных заполнителях.

Наряду с продольными деформациями при загружении образца проявляются и поперечные деформации бетона. Отношение поперечных деформаций к продольным деформациям называют коэффициентом поперечной деформации или коэффициентом Пуассона (для бетона ,п.5.1.15 [2.

Значение модуля сдвига бетона принимают по установленной в теории упругости зависимости.

Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют предельные деформации, при которых начинается разрушение бетона. По (п.5.1.12 [2]), предельные деформации бетона при осевом сжатии – (непродолжительное действие нагрузки) и (при продолжительном действии нагрузки в зависимости от влажности (табл.5.6.

Предельные деформации бетона при растяжении составляют (непродолжительное действие нагрузки) и (при продолжительном действии нагрузки в зависимости от влажности (табл.5.6). т.е. примерно в 10…15 раз меньше, чем при сжатии.

^ Предельные деформации при сжатии можно увеличить, применяя более деформативные заполнители и переменяя достаточно надежное сцепление между заполнителями. При растяжении повышаются при введении пластифицирующих добавок, использовании белитовых цементов, уменьшении крупности заполнителей и при применении заполнителей с высокими деформативными свойствами и хорошим сцеплением с цементным камнем.

Как показывают опыты и практика эксплуатации зданий, при продолжительном действии постоянной нагрузки деформации каменных, бетонных и железобетонных конструкций не остаются неизменными, а увеличиваются во времени.

Процесс деформирования остается неравновесным весьма длительное, а теоретически – неограниченное время; развитие деформаций, следуя за напряжениями, запаздывает во времени. Конечные полные деформации могут за 3…4 года в несколько раз превышать мгновенные деформации. Ползучестью называют свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций при длительном действии нагрузки. Деформации ползучести обусловлены его структурными несовершенствами. Полная величина ползучести в некоторых случаях может в 3…4 раза превышать упругие деформации. Наиболее интенсивно ползучесть нарастает в течение 3…4 месяцев, затем затухает во времени вследствие перераспределения напряжений с вязкой составляющей геля на кристаллический сросток и заполнитель.

Рис.3.3. Деформации ползучести [6, Рис. 2.8] Различают ползучесть линейную и нелинейную.

Линейная ползучесть имеет место при и обусловлена, главным образом, уплотнением геля. При этом происходит перераспределение под нагрузкой напряжений с гелевой структуры на цементный камень и зерна заполнителя. Для линейной ползучести увеличение деформаций ползучести примерно пропорционально увеличению напряжений.

Нелинейная ползучесть начинает развиваться при увеличении напряжений . При этом в бетоне образуются микротрещины и начинается ускоренное нарастание деформаций, обусловленных ломкой структурных новообразований. Нелинейная ползучесть обусловливает перераспределение напряжений по высоте бетонных сечений и в статически неопределимых железобетонных конструкциях.

При проектировании предварительно напряженных жбк нормы учитывают быстронатекающую ползучесть бетона, под которой понимают ползучесть бетона, проявляющуюся непосредственно после нагружения бетона и длительно действующую ползучесть.

Рис.3.4. Ползучесть линейная и нелинейная [лекция.

Факторы, влияющие на ползучесть.

Величина напряжений (с ростом уровня напряжений ползучесть увеличивается.

Возраст бетона (бетон с раннем возрасте обладает большей ползучестью, чем старый бетон, т.к. цементного геля в молодом бетоне больше.

Вид и количество цемента на 1 куб. м бетона (у высокомарочных цементов. у которых процесс образования кристаллических структур протекает быстро, ползучесть меньше.

Вид и прочность заполнителя (применение прочного и более крупного заполнителя приводит к уменьшению ползучесть, заполнители препятствуют развитию ползучести.

Прочность бетона, его состав (бетоны на пористых заполнителях обладают большей ползучестью по сравнению с тяжелыми бетонами.

В/Ц отношение (с понижением в/ц ползучесть уменьшается.

Влажность бетона и окружающей среды (в жарком и сухом климате ползучесть развивается быстрее и за более короткий период времени достигает своего максимума.

Температура окружающей среды (при отрицательных температурах ползучесть ниже, чем при нормальной положительной температуре.

Предыстория деформирования (возраст бетона, величина прочности в момент нагружения и пр.

Размеры испытуемого образца (у малых образцов проявляется большая ползучесть, чем у больших.

Качество уплотнения бетонной смеси.

Для количественной оценки ползучести при напряжениях не более используют меру ползучести.

Под мерой ползучести понимают относительную деформацию бетона при накопившуюся к моменту времени t при загружении образцов в и приходящуюся на 1 МПа действующего постоянного напряжения. (геометрически мера ползучести равна тангенсу угла наклона к оси напряжений секущей хорды, проходящей через начало координат.

Рис.3.5. Осредненная зависимость меры ползучести от класса бетона В . (рис. 3.5. Кумпяк.

СНиП 52-01-2003.

СН 52-101-2003.

СНиП 2.03.01-84.

Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. для вузов под ред. В.М. Бондаренко, - М. Высш. шк. 2002.-876 с.

О.Г. Кумпяк и др. Железобетонные конструкции. Часть 1. Учебное издание. – М. Изд-во АСВ, 2003.- 280 с.

Попов Н.Н. Чарыев М. Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. пособие. – М. Высш.шк. 1996. – 255 с.