Файл: Лекция 1. 1.pdf

9 где R
t
—
временное сопротивление сжатию бетонного куба в возрасте t суток; R
— то же, в возрасте 28 сут. Эта формула дает результат достаточно близкий к экспериментальным данным при t ≥ 7 сут.
Рис. 1.1.8.Наросттание прочности бетона во времени: 1-при
хранении бетона во влажностной среде; 2-то же в сухой среде.
Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью железобетонные изделия на заводах подвергают тепловой обработке при температуре до 90 °С и влажности до 100 % или же специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре до 170 °С. Эти способы позволяют за сутки получить бетон, прочность которого составляет около 70 % проектной. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедляется или прекращается.
1.1.6.
Классы и марки бетона.
В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации устанавливают показатели качества бетона, основными из которых являются: класс по прочности на осевое сжатие В; указывают в проекте во всех случаях как основную характеристику; класс по прочности на осевое растяжение B
t
,
назначают 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 замораживания и оттаивания
(открытые конструкции, ограждающие конструкции и т. п.); марка по водонепроницаемости W; назначают для конструкций, к которым предъявляются требования ограниченной проницаемости (резервуары и т. п.); марка по средней плотности D; назначают для конструкций, к которым кроме

10 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.
Классом бетона по прочности на осевое сжатие В(МПа) называется
временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм,
испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при тем-
пературе 20+2 °С с учетом статистической изменчивости прочности,
Сроки твердения бетона устанавливают так, чтобы требуемая прочность бетона была достигнута к моменту загружения конструкции проектной нагрузкой. Для монолитных конструкций на обычном портландцементе этот срок, как правило, принимается 28 сут. Для элементов сборных конструкций заводского изготовления отпускная прочность бетона может быть ниже его класса; она устанавливается по стандартам и техническим условиям в за- висимости от условий транспортирования, монтажа, сроков загружения конструкции и др.
Классы и марка бетона для железобетонных конструкций:
а) Классы по прочности на сжатие:
для тяжелых бетонов — В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45;
В50; В55; В60; для мелкозернистых бетонов групп:
А — (на песке с модулем крупности 2,1 и более) — те же в диапазоне от В7,5 до В40;
Б — (на песке с модулем крупности 2 и менее) -— те же в диапазоне от
В7,5 до В30;
В — (подвергнутого автоклавной обработке) — те же в диапазоне от
В15 до В60; для легких бетонов при марках по средней плотности;
D800, D900 —
В3,5; В5; В7,5;
D1000, 2000>2200>2500>

11 тяжелый и мелкозернистый бетоны — F50, F75, F100, F150, F200,
F300, F400, F500; легкий бетой —F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400,
F500; ячеистый и поризированный бетоны — F15, F25, F35, F50, F75, F100.
г) Марки бетона по водонепроницаемости: W2; W4;W6; W8; W10; W12. Они характеризуются предельным давлением воды (кг/см
2
), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый образец.
д) Марки бетона по средней плотности (кг/м
3
): тяжелый бетон от D2200 до
D
2500; легкий бетон от D800 до D2000; поризованный бетон от D800 до D1400; градация 100 для всех марок.
Оптимальные класс и марку бетона выбирают па основании технико- экономических соображений в зависимости от типа железобетонной конструкции, ее напряженного состояния, способа изготовления, условий эксплуатации и др. Рекомендуется принимать класс бетона для железобетонных сжатых стержневых элементов — не ниже В15; для конструкций, испытывающих значительные сжимающие усилия (колонн, арок и т. п.) —
В20...В30; для предварительно напряженных конструкций в зависимости от вида напрягаемой арматуры — В20 — В40; для изгибаемых элементов без предварительного напряжения (плит, балок)—В15. Для железобетонных конструкций нельзя применять: тяжелый и мелкозернистый бетоны класса по прочности на сжатие ниже 7,5; легкий бетон класса по прочности на сжатие ни- же 3,5.
Легкие бетоны на пористых заполнителях и цементном вяжущем при одинаковых классах и марках по морозостойкости и водонепроницаемости применяют в сборных и монолитных железобетонных конструкциях наравне с тяжелыми бетонами. Во многих случаях они весьма эффективны, так как приводят к снижению массы конструкций.
1.1.7
.Деформативные свойства бетона.
Виды деформаций.
В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения темпера туры и влажности: силовые, развивающиеся главным образом вдоль направления действия сил. Силовым продольным деформациям соответствуют некоторые попе- речные деформации; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v
=0,2 (коэффициент Пуассона).

12
Рис. 1.1.9. Диаграмма зависимости между напряжениями и
деформациями в бетоне при сжатии и при растяжении.
Ι— область упругих деформаций; ΙΙ — область пластических
деформации; 1— загрузка; 2 — разгрузка; έ
ub
—
предельная сжимаемость;έ
ubt
—
предельная растяжимость; έ
bmax
-
максимальная сжимаемость на
нисходящей ветви диаграммы.
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.
Объемные деформации.
По данным опытов для тяжелых бетонов деформации, вызванные усадкой έ
sl
=3· 10
-4
и более, для бетонов на пористых заполнителях έ
sl
≈ 4,5·10
-4
Деформация бетона при набухании меньше, чем при усадке.
Деформации бетона, возникающие под влиянием изменения температуры, характеризуются коэффициентом линейной температурной деформации бетона ά
bt
.
При изменении температуры среды от —50 °С до +50 °С для тяжелого, мелкозернистого бетонов и бетона на пористых заполнителях с кварцевым песком ά
bt
= 1
·10
-
5 о
С
-1
; для легких бетонов на мелких пористых заполнителях ά
bt
= =0,7·10
-5
°С
-1
. Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей влажиостного состояния бетона и может изменяться в пределах
±30 %,
Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой.

13
При однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой деформации бетона
έ
b
= έ
e
+ έ
Pl
,
(1.5) т. е. она складывается из упругой деформации έ
e
и неупругой пластической деформации έ
Pl
(рис. 1.1.9.).Небольшая доля неупругих деформаций в течение некоторого периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %).
Упругие деформации бетона соответствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, в то время как неупругие деформации развиваются во времени. С увеличением скорости загружения υ при одном и том же напряжении σ
b
неупругие деформации уменьшаются .
При растяжении бетонного образца также возникает деформация, складывающаяся из упругой έ
et
и пластической έ
Pl,,t
деформаций.
έ
bt
=
έ
et
+
έ
Pl,t
,
(1.6)
Деформации при длительном действии нагрузки.
При сжатии бетонной призмы в режиме пропорционального развития во времени продольных деформаций обнаруживается постепенное снижение сопротивления бетона, так называемая ниспадающая ветвь диаграммы на- пряжения — деформации (см. рис. 1.1.9).Такой участок повышенного деформирования бетона реально наблюдается в конструкциях при определенных условиях нагружения. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается первые 3...4 мес. и может продолжаться несколько лет. На диаграмме (рис. 1.1.10), в) участок 0—
1
характеризует деформации, возникающие при загружении (его кривизна зависит от скорости загружения); участок /—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений.
Рис. 1.1.10. Диаграмма
σ
b
-
έ
b
в сжатом бетоне при различных: числе
этапов загружения (а); скорости загружения (б); длительности загружения (в);

14
υ
1>
υ
2>
υ
3
1-
упругие деформации; 2-полные деформации.
1.1.8
.Ползучестью бетона.
Свойства бетона, характеризующиеся нарастанием неупругих
деформаций с течением времени при постоянных напряжениях, называют
ползучестью бетона. Деформации ползучести могут в 3...4 раза превышать упругие деформации. При длительном действии постоянной нагрузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения в бетоне остаются постоянными. Когда же связи в бетоне (например, стальная арматура) ограни- чивают свободное развитие ползучести (стесненная ползучесть), то напряжения в бетоне уменьшаются. Свойство бетона, характеризующееся уменьшением с
течением времени напряжений при постоянной начальной деформации
ε
b
0
,
называют релаксацией напряжений. Ползучесть и релаксация имеют общую природу и оказывают существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой.
Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зерна заполнителей. Одновременно развитию деформаций ползучести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах σ
b и капиллярах избыточной воды под нагрузкой.
С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается.
Ползучесть разделяют на линейную, при которой зависимость между напряжениями и деформациями приблизительно линейная, и нелинейную, которая начинается при напряжениях R
crc
,
превышающих границу образования структурных микротрещин. Такое разделение ползучести условно, так как в некоторых опытах наблюдается нелинейная зависимость
σ
b и ε
b даже при относительно малых напряжениях. Учет нелинейной ползучести имеет существенное значение в практических расчетах предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и некоторых других элементов.
Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет собой сумму деформаций: упругой
ε
е
, деформацией ползучести ε
pl и усадки ε
st
. Однако в то время как усадка носит ха- рактер объемной деформации, ползучесть развивается главным образом в направлении действия усилия.

15
Рис. 1.1.11. Деформации ползучести бетона: в зависимости от
скорости начального загружения (а) и времени выдержки под нагрузкой t и
напряжением σ
b
(б)
Модуль деформаций и мера ползучести бетона
Начальный модуль упругости бетона при сжатии Е
ь
соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении.
Геометрически он определяется как тангенс угла наклона прямой, упругих деформаций (рис. 1.1.12):
0
α
ρ
tg
E
b
⋅
=
(1.7) где ρ — масштабно размерный коэффициент, МПа.
Модуль полных деформаций бетона при сжатии Еь соответствует полным деформациям (включая ползучесть) и является величиной переменной; геометрически он определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой σ
b
—
ε
b в точке с заданным напряжением
α
ρ
ε
σ
tg
d
d
E
b
b
b
⋅
=
=
/
(1.8)
Для расчета железобетонных конструкций пользуются средним модулем или модулем упругопластичности бетона, представляющим собой тангенс угла наклона секущей в точке на кривой сь—и с заданным напряжением
1
/
α
ρ
tg
E
b
⋅
=
t
(1.9)

16
Рис. 1.1.12 Схема для определения модуля деформации бетона
1–
упругие деформации; 2– секущая; 3– касательная; 4 – полные деформации.
Рис. 1.1.13. Диаграммы
σ
b
-
ε
b
при различной длительности загружения
бетона.
Поскольку угол α
1
меняется в зависимости от напряжений и времени, модуль упругопластичности являешься такжепеременной величиной, меньшей, чем начальный модуль упругости.
Зависимость между начальным модулем упругости бетона и модулем упругопластичности можно установить, если выразить одно и то же
напряжение в бетоне σ
b через упругие деформации ε
е
, и полные деформации ε
b

17
/
b
b
b
e
b
E
E
ε
ε
σ
=
=
Отсюда
b
b
E
E
ν
=
/
(1.10) где
ε
ε
ν
e
=
–
коэффициент упругопластических деформаций бетона.
По данным опытов коэффициент ν изменяется от 1 (при упругой работе) до 0,15.
С увеличением уровня напряжений в бетоне
b
b
R
σ
и длительности действия нагрузки t коэффициент ν уменьшается. Значение ν(t) может быть определено по специальным опытным данным или по средним опытным диаграммам σ
b
-
ε
b
(рис. 1.1.13).
При изгибе железобетонных элементов для бетона сжатой зоны (по данным опытов) Е' может быть на 15...20 % больше, чем при осевом сжатии.
При растяжении элементов модуль упругопластичности бетона
b
t
bt
E
E
ν
=
/
(1.11) где
bt
et
t
ε
ε
ν
=
– коэффициент упругопластических деформаций бетона при растяжении.
Если растягивающее напряжение в бетоне приближается к значению временного сопротивления осевому растяжению
bt
bt
R
→
σ
,
то среднее опытное значение ν
t
=0,5. Предельная растяжимость бетона в зависимости от временного сопротивления растяжению:
b
bt
bt
bt
ubt
E
R
E
R
2
/
=
=
ε
(1.12)
Начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении E
b
может быть определен из специальных испытаний призм при низком уровне напряжений:
2
,
0
≤
b
b
R
σ
.
Существуют различные эмпирические формулы, в которых устанавливается зависимость между начальным модулем упругости и классом бетона. Так для тяжелого бетона естественного твердения.
Еь
=
43 000 В/(21 + В)
(1.13)
Значение Е
b
при тепловой обработке бетона снижается на 10 %, при автоклавной
– на 25 % . Бетоны на пористых заполнителях как более деформативные обладают в 1,5...2 раза меньшим значением начального модуля упругости.
Существуют эмпирические формулы, основанные на зависимости между начальным модулем упругости, средней плотностью и кубиковой прочностью бетона. Так, например, отношение начальных модулей упругости легкого бетона на пористых заполнителях и тяжелого бетона можно определять по эмпирической формуле:
(
)
2
/
3
γ
γ
l
k
=
(1.14)