Прочность бетона

Основы прочности

Так как бетон представляет собой неоднородный материал, внешняя нагрузка создает в нем сложное напряженное состояние. В бетонном образце, подвергнутом сжатию, напряжения концентрируются на более жестких частицах, обладающих большим модулем упругости, вследствие чего по плоскостям соединения этих частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить их связь. В то же время происходит концентрация на­пряжений в местах, ослабленных порами и пустотами. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в ма­териале, подвергнутом сжатию, наблюдается концентра­ция самоуравновешенных растягивающих и сжимающих напряжений, действующих по площадкам, параллельным сжимающей силе (рис 1.1, а). Поскольку в бетоне много пор и пустот, растягивающие напряжения у одного от­верстия или поры накладываются на соседние, в резуль­тате в бетонном образце, подвергнутом осевому сжатию, кроме продольных сжимающих напряжений возникают и поперечные растягивающие напряжения (вторичное поле напряжений).

Разрушение сжимаемого образца, как показывают, возникает вследствие разрыва бетона а попереч­ном направлении. Сначала по всему объему возникают микроскопические трещины отрыва, которые с ростом нагрузки соединяются, образуя видимые трещины, парал­лельные (или с небольшим наклоном) направлению дей­ствия сжимающих сил (рис. 1.1, б). Затем трещины рас­крываются, что сопровождается кажущимся увеличением объема, и, наконец, наступает разрушение бетона.

Гра­ница образования таких структурных микроразрушений под действием нагрузки можно определить по результа­там ультразвуковых измерений. Скорость распростране­ния ультразвуковых колебаний v, направленных поперек линий действия сжимающих напряжений, уменьшается с развитием микротрещин в бетоне. Началу уменьшения скорости ультразвука соответствует сжимающее напря­жение в бетоне (сопротивление сжатию), при ко­тором начинается образование микротрещин (рис. 1.2).

По значению напряжения судят о прочностных и деформативных свойствах бетона.

Структура бетона, обусловленная неоднородностью состава и различием способов приготовления, приводит к тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают неодинаковые показатели прочности. Прочность бетона зависит от ряда факторов, основными из которых являются:

· технологические факторы;

· возраст и условия тверде­ния;

· форма и размеры образца;

· вид напряженного со­стояния и длительность воздействия.

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

Прочность бетона на осевое сжатие

Кубиковая прочность

При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении (рис. 1.3, а). Наклон трещин разрыва обусловлен сила­ми трения, которые развиваются на контактных поверх­ностях — между подушками пресса и гранями куба. Си­лы трения, направленные внутрь, препятствуют свобод­ным поперечным деформациям куба и создают эффект обоймы. Удерживающее влияние сил трения по мере уда­ления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усе­ченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба устранить влияние сил трения смазкой контактных поверхностей, поперечные деформа­ции проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление уменьшается примерно вдвое (рис. 1.3,б). Согласно стандарту кубы испытыва­ют без смазки контактных поверхностей.

Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если времен­ное сопротивление сжатию бетона для базового куба с ребром 150 мм равно R, то для куба с ребром 200 мм оно уменьшается приблизительно до 0,93R, а для куба с ребром 100 мм — увеличивается до 1,1R. Это объясня­ется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба и расстояния между его торцами.

Призменная прочность

Поскольку железобе­тонные конструкции по форме отличаются от кубов, в рас­четах их прочности не может быть непосредственно ис­пользована кубиковая прочность бетона. Основной харак­теристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность — временное сопротивление осе­вому сжатию бетонных призм. Опыты на бетонных приз­мах со стороной основания и высотой покачали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой и она уменьшается с увеличением отношения (рис. 1.4).

Влияние сил трения на торцах призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при отношении значе­ние становится почти стабильным и равным примерно 0,75R. Влияние гибкости бетонного образца при этом не сказывается; оно ощутимо лишь при .

В качестве характеристики прочности бетона сжатой зоны изгибаемых элементов (рис. 1.5) также принимают ; при этом вместо действительной криволинейной эпю­ры напряжений бетона сжатой зоны в предельном со­стоянии принимают условную прямоугольную эпюру на­пряжения.

Прочность бетона на осевое растяжение

Она зависит от прочности цементного камня на растяжение и сцепле­ния его с зернами заполнителями. Согласно опытным данным, прочность бетона на растяжение в 10…20 раз меньше, чем при сжатии, причем относительная прочность на растяжение уменьшается с увеличением класса бето­на. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьше­нием , применением щебня с шероховатой поверх­ностью.

Временное сопротивление бетона осевому растяжению (МПа) можно определить по эмпирической формуле

Вследствие неоднородности структуры бетона эта фор­мула не всегда дает правильные значения . Более точно значение определяют испытаниями: на раз­рыв — образцов в виде восьмерки, на раскалывание — образцов в виде цилиндров, на изгиб — бетонных балок (рис. 1.6). По разрушающему моменту бетонной балки определяют

где — момент сопротивления прямоугольного сечения; = 1,7 — множитель, учитывающий криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны сечения вследствие развития неупругих деформаций.

Прочность бетона на срез и скалывание

В чистом ви­де срез представляет собой разделение элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезываю­щие силы. При этом существенное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающие, как шпонки, и плоскости среза. При срезе распределение напряжений по площади сечения считается равномерным. Временное сопротивление бетона на срез можно опреде­лим, по эмпирической зависимости и железо бетонных конструкциях чистый срез встречается редко; обычно он сопровождается действием продольных сил. 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 .

В.Н. Байков, Э.С. Сигалов

«Железобетонные конструкции. Общий курс»