Тема 2. Физико-механические свойства бетона и арматуры. Железобетон.

 

2.1. Бетон – общие сведения. Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность. Усадка бетона н начальные напряжения. Прочность бетона. Деформативность бетона.

2.2. Арматура. Назначение и виды арматуры. Механические свойства арматурных сталей. Классификация арматуры. Арматурные изделия. Соединенне арматуры. Неметаллическая арматура.

2.3. Железобетон. Сцепление арматуры с бетоном. Анкеровка арматуры в бетоне. Защитный слой бетона в железобетонных элементах.

2.1. Бетон – общие сведения. Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность. Усадка бетона н начальные напряжения. Прочность бетона. Деформативность бетона.

Бетон для железобетонных конструкций должен об­ладать вполне определенными, наперед заданными физико-механическими свойствами: необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной непрони­цаемостью для защиты арматуры от коррозии. Кроме того, в зависимости от назначения железобетонной кон­струкции и условий ее эксплуатации могут быть предъ­явлены еще и специальные требования: морозостойкость при многократном замораживании и оттаивании (напри­мер, в панелях наружных стен зданий, открытых соору­жениях и др.), жаростойкость при длительном воздейст­вии высоких температур, коррозионная стойкость при агрессивном воздействии среды и др.

Бетоны подразделяют по ряду признаков:

структуре — бетоны плотной структуры, у которых пространство между зернами заполнителя полностью за­нято затвердевшим вяжущим; крупнопористые малопес­чаные и беспесчаные; поризованные, т. е. с заполнителями и искусственной пористостью затвердевшего вяжущего; ячеистые с искусственно созданными замкнутыми порами;

плотности — более 2500 кг/м3 (особо тяжелые); от 2200 до 2500 кг/м3 (тяжелые); от 1800 до 2200 кг/м3 (мелкозернистые); от 800 до 2000 кг/м3 (легкие);

виду заполнителей — на плотных заполнителях; по­ристых специальных, удовлетворяющих требованиям биологической защиты, жаростойкости и др.;

зерновому составу — крупнозернистые с крупными и мелкими заполнителями; мелкозернистые с мелкими заполнителями;

условиям твердения — бетон естественного твердения; подвергнутый тепловлажностной обработке при ат­мосферном давлении; подвергнутый автоклавной обработке при высоком давлении.

Структура бетона, обусловленная неоднородностью состава и различием способов приготовления, оказывает существенное влияние на все физико-механические свойства.

Прочность бетона зависит от ряда факторов:

- технологические факторы: состав, водоцементное отношение, свойства исходных материалов;

- возраст и условия твердения;

- форма и размеры образца;

- вид напряженного состояния и длительность воздействия.

Структура бетона оказывается весьма неоднородной: она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами пе­ска и щебнем различной крупности и формы, пронизан­ной большим числом микропор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капил­лярно-пористый материал, в котором нарушена сплош­ность массы и присутствуют все три фазы — твердая, жидкая и газообразная. Цементный камень также обладает неоднородной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля.

Длительные процессы, происходящие в бетоне, — из­менение водного баланса, уменьшение объема твердею­щего геля, рост упругих кристаллических сростков — наделяют бетон упругопластическими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бе­тона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды.

Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объеме при твердении в воде (набу­хание бетона).

Начальные напряжения, возникающие под влиянием усадки бетона, не фигурируют непосредственно в рас­чете прочности железобетонных конструкций; их учиты­вают расчетными коэффициентами, охватывающими со­вокупность характеристик прочности. Уменьшить началь­ные усадочные напряжения в бетоне можно конструк­тивными мерами — армированием элементов и устрой­ством усадочных швов в конструкциях, а также техно­логическими мерами — подбором состава, увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, увлажнением поверхности бетона.

Бетон имеет разное временное сопротивление при сжатии, растяжении и срезе.

Различают кубиковую (R) и призменную (R_b) прочность бетона на осевое сжатие. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении.

Поскольку реальные железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, в расчете их прочности основной характеристикой бетона при сжатии является призменная прочность R_b - временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Опыты на бетонных призмах со стороной основания а и высотой h показали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой и она уменьшается с увеличением отношения h /a. Влияние сил трения на торцах призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при отношении h /a = 4 значение R_b становится почти стабильным и равным примерно 0.75R.

Прочность бетона на осевое растяжение R_{b t} зависит от прочности цементного камня на растяжение и сцепления его с зернами заполнителя. Согласно опытным данным, прочность бетона на растяжение в 10-20 раз меньше, чем при сжатии.

Срез представляет собой разделение элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. При этом основное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающих, как шпонки.

Сопротивление бетона скалыванию возникает при изгибе железобетонных балок до появления в них наклонных трещин. Скалывающие напряжения по высоте сечения изменяются по квадратной параболе. Временное сопротивление скалыванию при изгибе, согласно опытным данным, в 1.5-2 раза больше R_bt.

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации устанавливают показатели качества бетона, основными из которых являются:

- класс по прочности на осевое сжатие В, который указывают в проектах во всех случаях, как основную характеристику;

- класс по прочности на осевое растяжение В_t, назначается в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве;

- марка по морозостойкости F; назначают для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременных замораживаний и оттаиваний. Характеризует число выдерживаемых бетоном циклов попеременного замораживания - оттаивания в насыщенном водой состоянии при условии, что снижение прочности составляет не более, чем 15%.

- марка по водонепроницаемости W; назначают для конструкций, к которым предъявляются требования ограниченной проницаемости (резервуары и т.п.). Она характеризует предельное давление воды (кг/см²), при котором не происходит ее просачивание через испытуемый образец в пределах требований Норм.

- марка по средней плотности D; назначают для конструкций, к которым кроме требований прочности предъявляются требования теплоизоляции, и контролируют на производстве.

Заданные класс и марку бетона получают соответствующим подбором состава бетонной смеси с последующим испытанием контрольных образцов.

 

В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности: силовые, развивающиеся главным об­разом вдоль направления действия сил. Силовым про­дольным деформациям соответствуют некоторые попе­речные деформации.

Бетону свойственно нелинейное деформирование. На­чиная с малых напряжений, в нем, помимо упругих де­формаций, развиваются неупругие остаточные или пла­стические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и дли­тельности ее действия подразделяют на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, длительном действии нагрузки; многократно повторяю­щемся действии нагрузки.

 

2.2. Арматура. Назначение и виды арматуры. Механические свойства арматурных сталей. Классификация арматуры. Арматурные изделия. Соединение арматуры. Неметаллическая арматура.

Арматуру в железобетонных конструкциях устанавливают преимущественно для восприятия растягивающих усилий. Необходимое количество арматуры определяют расчетом элементов конструкций на нагрузки и воздействия.

Арматура, устанавливаемая по расчету, называется рабочей; устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям - монтажной.

Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия - сварные и вязаные сетки и каркасы, которые размещают в железобетонных конструкциях в соответствии с характером их работы под нагрузкой.

Арматура классифицирована по 4 признакам:

- в зависимости от технологии изготовления - стержневая и проволочная. Под стержневой подразумевают арматуру любого диаметра в пределах 6-40 мм.

- в зависимости от способа последующего упрочнения - горячекатанная арматура может быть термически упрочненной, или упрочненной в холодном состоянии - вытяжкой, волочением.

- по форме поверхности - бывает периодического профиля или гладкой. Выступы в виде ребер на поверхности стержневой арматуры периодического профиля, рифы или вмятины на поверхности проволочной арматуры значительно улучшают сцепление с бетоном.

- по способу применения - напрягаемая и ненапрягаемая арматура.

Характеристики прочности и деформаций арматурных сталей устанавливают по диаграмме напряжения - деформации. Горячекатанная арматурная сталь, имеющая на диаграмме площадку текучести, обладает значительным удлинением после разрыва - до 25% (мягкая сталь). Напряжение, при котором деформации развиваются без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести арматурной стали, напряжение, предшествующее разрыву, носит название временного сопротивления арматурной стали.

Ненапрягаемую арматуру соединяют стыковой или дуговой сваркой и внахлестку (без сварки).

В целях экономии металла проводятся исследования по созданию неметаллической, в частности стеклопластиковой арматуры конструкций. Такие арматурные стержни обладают хорошим сцеплением с бетоном, вы­сокой прочностью на разрыв (до 1800 МПа), но имеют низкий модуль упругости (45 000 МПа). Высокая проч­ность и низкий модуль упругости предопределяют целе­сообразность применения стеклопластиковой арматуры для предварительно напряженных конструкций. К недо­статкам стеклопластиковой арматуры относятся склон­ность к разрушению от щелочных реакций и старение, характеризуемое снижением прочности во времени.

 

2.3. Железобетон. Сцепление арматуры с бетоном. Анкеровка арматуры в бетоне. Защитный слой бетона в железобетонных элементах.

Совместное деформирование бетона и арматуры, установленной в нем, обеспечивается за счет сил сцепления, которые возникают при твердении бетонной смеси. При этом сцепление формируется за счет нескольких факторов, а именно: во-первых, благодаря адгезии (приклеивания) цементного теста к арматуре (очевидно, что доля этой составляющей сцепления невелика); во-вторых, за счет обжатия арматуры бетоном вследствие усадки его при твердении; в-третьих, за счет механического зацепления бетона о периодическую (рифленую) поверхность арматуры. Естественно, что для арматуры периодического профиля эта составляющая сцепления наиболее существенна, поэтому сцепление арматуры периодического профиля с бетоном в несколько раз превышает таковую для арматуры с гладкой поверхностью.

В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне — анкеровка — достигается запуском арматуры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном), а также с помощью анкерных устройств

Защитный слой бетона в железобетонных элементах создается размещением арматуры на некотором удале­нии от поверхности элемента. Защитный слой бетона необходим для обеспечения совместной работы армату­ры с бетоном на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций; он также защищает арма­туру от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т. п. Толщину защитного слоя бето­на на основании опыта эксплуатации железобетонных конструкций устанавливают в зависимости от вида и диаметра арматуры, размера сечений элемента, вида и класса бетона, условий работы конструкции и т д.

Вопросы для самоконтроля.

1. Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность.

2. Усадка бетона начальные напряжения.

3. Прочность бетона.

4.  Деформативность бетона.

5. Арматура. Назначение и виды арматуры.

6. Механические свойства арматурных сталей. Классификация арматуры.

7. Арматурные изделия. Соединение арматуры. Неметаллическая арматура.

8. Железобетон. Сцепление арматуры с бетоном.

9. Анкеровка арматуры в бетоне. Защитный слой бетона в железобетонных элементах.