Základy síly. Protože beton je heterogenní materiál, vnější zatížení v něm vytváří komplexní stav napětí. Ve vzorku betonu vystaveném tlaku se napětí soustředí na tužší částice, které mají velký modul pružnosti, v důsledku čehož v rovinách spojení těchto částic vznikají síly, které mají tendenci přerušit spojení mezi částicemi. Současně dochází ke koncentraci stresu v místech oslabených póry a dutinami. Z teorie pružnosti je známo, že kolem otvorů v materiálu vystaveném tlaku je pozorována koncentrace tlakových a tahových napětí; ty působí na oblasti rovnoběžné s tlakovou silou (obr. 1.1, a). Protože v betonu je mnoho pórů a dutin, tahová napětí v jednom otvoru nebo póru se překrývají se sousedními. V důsledku toho vznikají podélná tlaková a příčná tahová napětí ve vzorku betonu vystaveném axiálnímu tlaku (sekundární pole napětí).
K destrukci stlačitelného vzorku, jak ukazují experimenty, dochází v důsledku protržení betonu v příčném směru. Nejprve se v celém objemu objevují mikroskopické separační trhliny. Se zvyšujícím se zatížením se separační trhliny spojují a tvoří viditelné trhliny směřující rovnoběžně nebo s mírným sklonem ke směru působení tlakových sil (obr. 1.1,6). Trhliny se poté otevřou, doprovázené zjevným zvětšením objemu. Nakonec dojde k úplnému zničení. V důsledku prasknutí v příčném směru je pozorováno selhání stlačitelných vzorků vyrobených z různých materiálů se strukturní kontinuitou. U betonových vzorků se tento jev rozvíjí také pod vlivem sekundárního pole napětí.
Rýže. 1.1. Diagram napjatosti vzorku betonu
Při stlačení
a je koncentrace napětí v blízkosti mikropórů a dutin; b – trhliny betonu v příčném směru při osovém tlaku
Nepravidelnost v uspořádání částic tvořících beton, v umístění a velikosti pórů vede k tomu, že při zkoušení vzorků vyrobených ze stejné betonové směsi se získávají nestejné indikátory pevnosti – rozptyl pevnosti. Pevnost betonu závisí na řadě faktorů, z nichž hlavní jsou: 1) technologické faktory, 2) stáří a podmínky tuhnutí, 3) tvar a velikost vzorku, 4) typ napjatosti a dlouhodobé procesy. Beton pod různým namáháním – tlakem, tahem a smykem – má různou dočasnou odolnost.
Třídy a druhy betonu.V závislosti na účelu železobetonových konstrukcí a provozních podmínkách jsou stanoveny ukazatele kvality betonu, z nichž hlavní jsou:
třída betonu pro osovou pevnost v tlaku B; ve všech případech uvedeno v projektu;
třída betonu pro axiální pevnost v tahu Bt; přiřazena v případech, kdy má tato vlastnost prvořadý význam a je kontrolována ve výrobě;
mrazuvzdorný beton třídy F; by měly být předepsány pro konstrukce, které jsou vystaveny střídavému zmrazování a rozmrazování za vlhka (otevřené konstrukce, uzavírací konstrukce atd.);
voděodolná třída W; určeno pro konstrukce, na které se vztahují požadavky na těsnost (nádrže, tlakové potrubí atd.);
hustota stupeň D; je předepsána pro konstrukce, které kromě pevnostních požadavků podléhají požadavkům na tepelnou izolaci, a je sledována ve výrobě.
Třída betonu z hlediska osové pevnosti v tlaku B (MPa) je dočasná pevnost v tlaku vzorků betonu o velikosti hrany 15 cm, zkoušená po 28 dnech skladování při teplotě 20±2°C dle GOST, přičemž v úvahu statistickou variabilitu pevnosti. Doba tvrdnutí betonu je nastavena tak, aby do doby zatížení konstrukce návrhovým zatížením bylo dosaženo požadované pevnosti betonu. U monolitických konstrukcí s použitím běžného portlandského cementu se tato doba obvykle považuje za 28 dní. U prefabrikovaných prvků prefabrikovaných konstrukcí může být pevnost betonu při popouštění nižší než jeho třída; instaluje se podle norem a technických specifikací v závislosti na podmínkách přepravy, instalace, načasování zatížení konstrukce atd.
Třídy betonu z hlediska pevnosti v tlaku pro železobetonové konstrukce jsou stanoveny následujícími normami: pro těžký beton B7,5; V 10 HODIN; B12,5; B15; IN 20; VZ0; B35; B40; B45; B50; B55; B60;
Třídy betonu podle osové pevnosti v tahu Bt0,8; B 1,2; B 1,6; AT 2; B2.4; B2,8; B,3,2 charakterizují osovou pevnost betonu v tahu (MPa) podle GOST s přihlédnutím ke statistické variabilitě pevnosti.
Stupně mrazuvzdornosti betonu od F25 do F500 charakterizují počet cyklů střídavého zmrazování a rozmrazování ve stavu nasyceném vodou, který lze vydržet.
Typy betonu pro odolnost proti vodě od W2 do W12 charakterizují maximální tlak vody, při kterém neprosakuje zkušebním vzorkem.
Stupně hustoty betonu od D800 do D2400 charakterizují průměrnou hustotu (kg/m 3 ).
Vliv času a podmínek tuhnutí na pevnost betonu.Pevnost betonu se zvyšuje po dlouhou dobu, ale její nejintenzivnější růst je pozorován v počátečním období tvrdnutí. Pevnost betonu připraveného portlandským cementem se během prvních 28 dnů rychle zvyšuje.
Rýže. 1.3.Zvýšení pevnosti Obr. 1.4. Povaha ničení betonových kostek v průběhu času
a – při tření podél nosných rovin;
b – při absenci tření
Rýže. 1.5. Graf závislosti prizmatické pevnosti betonu na poměru rozměrů zkoušeného vzorku
Rýže. 1.6. Napjatost betonu v tlačené oblasti při ohýbání železobetonového nosníku
Nárůst pevnosti betonu na bázi portlandského cementu při kladné teplotě tvrdnutí (~15°C) a vlhkém prostředí lze vyjádřit empirickou závislostí
Rt = Rlg/lg28 = 0,7 Rlgt, (I.1)
kde Rt je dočasná pevnost v tlaku betonové krychle ve stáří t, dnů, R je stejná, ve stáří 28 dnů.
Tento vzorec poskytuje poměrně blízkou shodu s experimenty v t≥7 dní.
Rýže. 1.7. Schémata pro zkoušení vzorků pro stanovení pevnosti betonu v tahu
Proces tvrdnutí betonu se výrazně zrychluje se zvyšující se teplotou a vlhkostí. Za tímto účelem se železobetonové výrobky v továrnách podrobují tepelnému zpracování při teplotách do 90 °C a vlhkosti do 100 %, nebo speciální autoklávové úpravě při vysokém tlaku páry a teplotě asi 170 °C. Tyto metody umožňují získat beton o pevnosti ~70 % návrhové pevnosti do XNUMX hodin. Tvrdnutí betonu při záporných teplotách se prudce zpomalí nebo zastaví.
Kubická pevnost betonu v tlaku.Při osovém tlaku se kostky zhroutí v důsledku prasknutí betonu v příčném směru (obr. 1.4, a). Sklon lomových trhlin je dán třecími silami, které vznikají na styčných plochách – mezi lisovacími podložkami a čely krychle. Třecí síly směřující dovnitř zabraňují volným příčným deformacím krychle a vytvářejí klecový efekt. Přídržný vliv třecích sil klesá se vzdáleností od čelních ploch krychle, proto má krychle po destrukci podobu komolých jehlanů spojených malými podstavami. Pokud se při osovém stlačování kostky eliminuje vliv třecích sil mazáním styčných ploch, volně se objevují příčné deformace, praskliny se stávají svislými, rovnoběžnými s působením tlakové síly a dočasný odpor je přibližně poloviční (obr. 1.4,6). Kostky se podle normy testují bez mazání styčných ploch.
Experimenty prokázaly, že pevnost betonu stejného složení závisí na velikosti krychle: pokud je dočasná pevnost betonu v tlaku pro základní krychli s hranou 15 cm rovna R, pak pro krychli s hranou 20 cm se zmenšuje a rovná se přibližně 0,93 R a pro krychli s hranou 10 cm se zvětší a rovná se ~1,1 R.
To se vysvětluje změnou účinku klece se změnou velikosti krychle a vzdálenosti mezi jejími konci.
Prizmatická pevnost betonu v tlaku.Železobetonové konstrukce se od kostek liší tvarem, takže krychlovou pevnost betonu nelze přímo použít při výpočtu pevnosti konstrukčních prvků. Hlavní charakteristikou pevnosti betonu tlačených prvků je prizmatická pevnost Rb – dočasná odolnost betonových hranolů proti osovému tlaku.
Experimenty na betonových hranolech s velikostí strany základny a a výškou h ukázaly, že prizmatická pevnost betonu je menší než krychlová pevnost a že s rostoucím poměrem h/a klesá. Křivka znázorněná na Obr. 1.5 znázorňuje závislost poměru Rb/Roth/a podle zprůměrovaných experimentálních dat.
Vliv třecích sil na koncích hranolu klesá s rostoucí jeho výškou a při poměru h/a=4 se hodnota Rb stává téměř stabilní a rovná se přibližně 0,75R. Vliv pružnosti vzorku betonu tyto zkoušky neovlivnil, protože je patrný pouze tehdy, když h/a≥8. Rb se bere také jako charakteristika pevnosti betonu v tlačené oblasti ohybových prvků a místo skutečného zakřiveného diagramu napětí betonu v tlačené zóně v mezním stavu se bere konvenční obdélníkový diagram napětí (obr. 1.6).
Pevnost betonu v tahu závisína pevnost v tahu cementového kamene a jeho přilnavost ke zrnům kameniva. Podle experimentálních údajů je pevnost v tahu betonu 10-20krát menší než v tlaku a relativní pevnost v tahu klesá s rostoucí třídou betonu. Při experimentech je pozorován ještě větší rozptyl pevnosti ve srovnání s tlakem. Zvýšení pevnosti betonu v tahu lze dosáhnout zvýšením spotřeby cementu, snížením W/C a použitím drceného kamene s drsným povrchem. Pevnost betonu v tahu vůči osovému tahu lze určit pomocí empirického vzorce Rbt=0.5 √R2(I.2.)
Vzhledem k heterogenitě betonové struktury nedává tento vzorec vždy správné hodnoty Rbt. Hodnota Rbt se zjišťuje tahovou zkouškou vzorků ve tvaru osmičky, dělením vzorků ve tvaru válců a ohybovými zkouškami betonových nosníků (obr. 1.7). K určení se používá moment lomu betonového nosníku
Rbt=M/γW= 3.5 М/bh 2 (I.3)
kde W=bh 2 /6 je moment odporu pravoúhlého průřezu; γ= 1,7 je multiplikátor, který zohledňuje křivočarý charakter diagramu napětí v betonu zóny tahového průřezu v důsledku vývoje nepružných deformací.
Pevnost betonu při střihu a štípáníVe své čisté podobě se smykový jev skládá z rozdělení prvku na dvě části podél průřezu, na který působí smykové síly. V tomto případě má významný vliv smyková odolnost zrn velkých kameniv, pracujících jako pera ve smykové rovině. Při střihu se rozložení napětí po ploše průřezu považuje za rovnoměrné. Pevnost betonu v tahu při střihu lze určit pomocí empirického vzorce
Odolnost betonu proti odlupování nastává, když jsou železobetonové nosníky ohýbány, dokud se v nich neobjeví šikmé trhliny. Smyková napětí podél výšky sekce se mění podél čtvercové paraboly. Dočasná odolnost proti vyštípnutí při ohybu je podle experimentálních údajů 1,5–2krát větší než Rbt
Rýže. 1.8. Závislost meze pevnosti betonu
a – na počtu zatěžovacích cyklů n; b – z charakteristik cyklu na základě n=2*10 6 ;
c – stanovit součinitel dynamické pevnosti betonu
Pevnost betonu při dlouhodobém zatížení. Podle experimentálních údajů při dlouhodobém působení zatížení a vysokých napětí, pod vlivem rozvíjejících se významných nepružných deformací a strukturálních změn, beton selhává při napětích menších, než je dočasná odolnost vůči osovému tlaku Rb. Hranicí dlouhodobé odolnosti betonu vůči osovému tlaku podle experimentálních dat může být Rbl = 0,90 R.b a méně. Pokud je při provozu konstrukce v podmínkách příznivých pro zvýšení pevnosti betonu úroveň napětí σb/Rbl postupně klesá, negativní vliv dlouhodobého zatěžovacího faktoru se nemusí projevit.
Pevnost betonu při opakovaném opakovaném zatížení.Působením vícenásobného opakovaného zatížení s opakovatelností několika milionů cyklů klesá dočasná odolnost betonu proti tlaku pod vlivem rozvoje strukturních mikrotrhlin. Mez pevnosti betonu při opakovaném opakovaném zatížení nebo mez únosnosti betonu Rr, podle experimentálních dat závisí na počtu zatěžovacích a odlehčovacích cyklů a poměru střídavě se vyskytujících minimálních a maximálních napětí nebo asymetrie cyklu ρ= σmin/σmax.Na křivce únosnosti (obr. 1.8, a) je na vodorovné ose vynesen počet cyklů n a na svislé ose hodnota periodicky se měnící meze únosnosti betonu R.r.
S rostoucím počtem cyklů n se R snižujer; napětí na vodorovném úseku křivky při n→∞ se nazývá absolutní mez únosnosti. Praktická mez únosnosti Rr (omezeně n=2-10 6 ) závisí téměř lineárně na charakteristice cyklu ρ, její nejmenší hodnotě Rr = 0,5 R.b (obr. 1.8, b).
Nejnižší hodnota meze únosnosti, jak ukazují studie, je spojena s hranicí tvorby strukturních mikrotrhlin, takže Rr≥R 0 cr. Takové spojení mezi
Rr a R.cr umožňuje najít mez únosnosti na základě primárního zatížení vzorku stanovením meze tvorby strukturních mikrotrhlin pomocí ultrazvukového zařízení. R hodnotur nezbytné pro výpočet únosnosti železobetonových konstrukcí vystavených dynamickému zatížení – jeřábové nosníky, podlahy některých průmyslových budov atd.
Dynamická pevnost betonu.Při dynamickém zatížení vysoké intenzity, ale krátkého trvání, vznikajícího v důsledku rázových a explozivních účinků, je pozorováno zvýšení dočasné odolnosti betonu – dynamické pevnosti. Čím kratší je doba τ zatěžování vzorku betonu daným dynamickým zatížením (nebo, která je stejná, tím větší je rychlost růstu napětí MPa/s), tím větší je koeficient dynamické pevnosti betonu kd. Tento koeficient je roven poměru dynamické dočasné pevnosti v tlaku Rd k prizmatické pevnosti Rb (obr. 1.8, c). Pokud je například doba zatížení dynamickým destruktivním zatížením 0,1, koeficient kd = 1,2. Tento jev je vysvětlován energeticky pohlcující schopností betonu, který působí pouze elasticky během krátké doby zatížení dynamickým zatížením.
Expanzní přísady se podle materiálového složení dělí na hlinito-síranové, sírano-oxidové a oxidové. Jsou zavedeny pro kompenzaci deformací způsobených smršťováním a zlepšení vlastností betonu. Beton s expandujícími přísadami má vyšší pevnost v tlaku a tahu (o 15 %), zvýšenou odolnost proti trhlinám, hustotu, nepropustnost pro vodu, plyn a benzín (W40 a vyšší), vyšší mrazuvzdornost, deformovatelnost, snížený obsah otevřených pórů (o 12.. 20 %).
Specifickým zástupcem těchto přísad je minerální expanzní přísada „IR-1“. Přísada může být smíchána s cementem buď přímo v míchačce betonu při přípravě betonové směsi, nebo vpravena do cementu při jeho mletí v cementárnách.
Přísady zvyšující pevnost betonu v tahu a ohybu
Přísady zvyšující pevnost betonu v tahu a ohybu: polymerní pryskyřice č. 89, PVA, DEG-1, TEG-1, divinylstyrenové latexy SKS-50, SKS-65, SKS-65GP atd.
Polymerní materiály pro impregnaci betonu
Pro zvýšení trvanlivosti betonu je vhodné použít: polymerní hmoty pro impregnaci betonu, které výrazně zvyšují pevnost betonu v tlaku a tahu, jeho mrazuvzdornost, odolnost v síranovém, hořčíkovém, alkalickém prostředí a slabých kyselinách: styren, metylmetakrylát , roztok epoxidové pryskyřice ve styrenu a mnoho dalších .
Rozmanitost pojiv, plniv, přísad, aktivních minerálních složek a technologických metod umožňuje získat beton s nejrůznějšími vlastnostmi.
3.1.3. Základní vlastnosti betonu
Vlastnosti betonu jsou dány nejen jeho složením a kvalitou výchozích materiálů, ale také technologií výroby a ukládání betonové směsi do konstrukce a podmínkami tuhnutí. Všechny tyto faktory jsou brány v úvahu při navrhování složení betonu a výrobě konstrukcí na jeho základě.
Trvanlivost beton je určován především dvěma faktory:
– pevnost tvrzeného cementového kamene;
– pevnost jeho přilnavosti ke kamenivu.
Pevnost betonu závisí na aktivitě cementu, poměru voda-cement, kvalitě kameniva, stáří betonu, stupni zhutnění betonové směsi a podmínkách vytvrzování.
Čím vyšší je aktivita (třída) cementu, tím vyšší je pevnost betonu, ostatní věci jsou stejné. Závislost pevnosti cementového kamene na poměru cementu a vody v betonové směsi je vysvětlena následovně. Během tuhnutí cement chemicky váže ne více než 20. 25% hmotnosti vody, ale aby byla zajištěna potřebná plasticita cementové pasty a tím i pohyblivost betonové směsi, je nutné vzít 40. ..80 % vody z hmotnosti cementu. Voda je také nezbytná pro smáčení povrchu částic písku a hrubého kameniva. Přirozeně, čím více volné, chemicky nevázané vody v betonu, tím více pórů bude následně v cementovém kameni a tím nižší bude jeho pevnost.
Na druhou stranu, pokud není zajištěna potřebná zpracovatelnost betonové směsi, pak v důsledku nedostatečného zhutnění vzniknou ve struktuře betonu velké dutiny a plochy s porušenou vazbou cementového kamene a kameniva, což povede k prudkému poklesu v pevnosti betonu. Pro každou betonovou směs je tedy optimální množství vody, což umožňuje získat beton s minimální pórovitostí a největší pevností při dané metodě hutnění.
Adhezní pevnost mezi cementovým kamenem a kamenivem je dána především kvalitou povrchu kameniva. Pro zajištění vysoké přilnavosti musí být povrch zrn kameniva čistý a drsný. Například beton na drceném kameni, jsou-li všechny ostatní věci stejné, je pevnější než beton na štěrku.
Těžký beton je hlavním konstrukčním stavebním materiálem, proto je věnována velká pozornost posuzování jeho pevnostních vlastností. Pevnostní charakteristiky betonu jsou stanoveny přísně v souladu s požadavky norem.
Jako všechny kamenné materiály je pevnost betonu v tlaku výrazně (10. 15krát) vyšší než v tahu a ohybu. Proto ve stavebních konstrukcích beton zpravidla pracuje v tlaku. Když lidé mluví o pevnosti betonu, mají na mysli jeho pevnost v tlaku. V ostatních případech je typ pevnosti specifikován.
Pevnost betonu se obvykle posuzuje aritmetickým průměrem výsledků zkoušek vzorků tohoto betonu po 28 dnech normálního tvrdnutí. K tomu použijte kostkové vzorky o délce hrany 150 mm, vyrobené z pracovní betonové směsi a vytvrzené za standardních podmínek.
Tento hlavní ukazatel mechanických vlastností betonu tvoří základ pro dělení betonu do tříd. Třída betonu se vztahuje na zaokrouhlenou hodnotu pevnosti v kgf/cm 2 (zaokrouhlení klesá dolů). Pro těžký beton jsou stanoveny třídy od M100 do M800.
Beton relativně nízkých jakostí (M100. M200) se používá pro konstrukce a konstrukce s nízkým návrhovým namáháním, například pro základy atd. Pro běžné železobetonové konstrukce v průmyslové a občanské výstavbě jsou betony jakosti M200. M300 široce používané, pro předpjaté konstrukce M300. M500 , v některých speciálních konstrukcích a inženýrských konstrukcích – M600. M800 a další.
Kvalitu betonu charakterizuje také jeho pevnostní třída. Třída betonu – zaručená pevnost betonu s pravděpodobností 0,95. To znamená, že pevnost betonu stanovená třídou je dosažena nejméně v 95 případech ze 100. Vztah mezi třídou pevnosti betonu a jeho průměrnou pevností má tvar:
B = R(1 – tυ),
kde В – třída pevnosti betonu, MPa; R – průměrná pevnost betonu, MPa; t – součinitel charakterizující třídu betonu předpokládanou při návrhu (obvykle 1,64); υ – variační koeficient pevnosti betonu.
Koncept „třídy betonu“ vám umožňuje přiřadit pevnost betonu s přihlédnutím k jeho skutečným nebo možným změnám. Čím menší variabilita pevnosti, tím vyšší třída betonu při stejné průměrné pevnosti. Vztah mezi třídami betonu a jeho třídami (GOST 26633–91) je uveden v tabulce. 2.
