Свойства бетона - Properties of concrete

Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие (не трескается под весом), но значительно меньшую прочность на разрыв (при растяжении он трескается). Прочность на сжатие обычно регулируется соотношением воды к цементу при формировании бетона, а прочность на растяжение повышается за счет добавок, обычно стали, для создания армированного бетона. Другими словами, мы можем сказать, что бетон состоит из песка (который является мелким заполнителем), балласта (который является крупным заполнителем), цемента (может называться связующим) и воды (которая является добавкой).

Железобетон

Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие , но значительно более низкую прочность на разрыв . В результате, без компенсации, бетон почти всегда разрушался от растягивающих напряжений ( напряжение (механика) # круг Мора ) даже при сжатии. Практическое значение этого состоит в том, что бетонные элементы, подверженные растягивающим напряжениям, должны быть усилены прочными на растяжение материалами (часто сталью). Эластичность бетона относительно постоянна при низких уровнях напряжения, но начинает снижаться при более высоких уровнях напряжения по мере развития трещин в матрице. Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , и по мере созревания бетон дает усадку. Все бетонные конструкции в той или иной степени потрескаются из-за усадки и растяжения. Бетон, который подвергается длительным нагрузкам, склонен к ползучести . Плотность бетона варьируется, но составляет около 2400 килограммов на кубический метр (150 фунтов / куб футов).

Железобетон - самая распространенная форма бетона. Армирование часто представляет собой стальную арматуру (сетку, спираль, стержни и другие формы). Доступны структурные волокна из различных материалов. Бетон также может быть предварительно напряжен (уменьшая растягивающее напряжение ) с помощью внутренних стальных тросов (арматуры), что позволяет использовать балки или плиты с более длинным пролетом, чем это практично при использовании только железобетона. Осмотр существующих бетонных конструкций может быть неразрушающим, если он проводится с помощью такого оборудования, как молоток Шмидта , который иногда используется для оценки относительной прочности бетона в полевых условиях.

Смешайте дизайн

Предел прочности бетона зависит от водоцементного отношения (Вт / см) , компонентов конструкции, а также используемых методов смешивания, укладки и отверждения. При прочих равных условиях бетон с более низким водоцементным (вяжущим) соотношением делает бетон более прочным, чем бетон с более высоким соотношением. Общее количество вяжущих материалов ( портландцемент , шлаковый цемент , пуццоланы ) может влиять на прочность, водопотребность, усадку, сопротивление истиранию и плотность. Весь бетон растрескается независимо от того, обладает ли он достаточной прочностью на сжатие. Фактически, смеси с высоким содержанием портландцемента могут более легко растрескиваться из-за повышенной скорости гидратации. Когда бетон переходит из своего пластичного состояния, гидратируясь в твердое состояние, материал подвергается усадке. Трещины из-за пластической усадки могут возникнуть вскоре после укладки, но если скорость испарения высока, они часто действительно могут возникать во время отделочных операций, например, в жаркую погоду или в ветреный день.

В очень высокопрочных бетонных смесях (более 70 МПа) прочность заполнителя на раздавливание может быть фактором, ограничивающим предел прочности на сжатие. В тощих бетонах (с высоким водоцементным соотношением) прочность заполнителей на раздавливание не столь значительна. Внутренние силы в обычных формах конструкций, таких как арки , своды , колонны и стены, представляют собой преимущественно сжимающие силы, при этом полы и тротуары подвергаются растягивающим усилиям. Прочность на сжатие широко используется для технических требований и контроля качества бетона. Инженеры знают свои целевые требования к растяжению (изгибу) и выражают их в терминах прочности на сжатие.

13 апреля 2007 года Wired.com сообщил, что команда из Тегеранского университета , участвующая в конкурсе, спонсируемом Американским институтом бетона , продемонстрировала несколько блоков из бетона с аномально высокой прочностью на сжатие от 340 до 410 МПа (49000 и 59000 фунтов на квадратный дюйм). в 28 дней. В блоках использовался агрегат из стальных волокон и кварца - минерала с прочностью на сжатие 1100 МПа, что намного выше, чем у типичных высокопрочных агрегатов, таких как гранит (100–140 МПа или 15 000–20 000 фунтов на квадратный дюйм). Реактивный порошковый бетон, также известный как бетон со сверхвысокими характеристиками, может быть еще прочнее, с прочностью до 800 МПа (116 000 фунтов на квадратный дюйм). Их получают путем полного удаления крупных заполнителей, тщательного контроля размера мелких заполнителей для обеспечения наилучшего уплотнения и включения стальных волокон (иногда получаемых путем измельчения стальной ваты) в матрицу. Реактивные порошковые бетоны могут также использовать микрокремнезем в качестве мелкозернистого заполнителя. Коммерческие реактивные порошковые бетоны доступны в диапазоне прочности 17–21 МПа (2500–3000 фунтов на кв. Дюйм).

Эластичность

Модуль упругости бетона является функцией модуля упругости заполнителей и цементной матрицы и их относительных пропорций. Модуль упругости бетона относительно постоянен при низких уровнях напряжения, но начинает уменьшаться при более высоких уровнях напряжения по мере развития растрескивания матрицы. Модуль упругости затвердевшей пасты может составлять порядка 10-30 ГПа и составляет от 45 до 85 ГПа. Бетонный композит тогда находится в диапазоне от 30 до 50 ГПа.

Американский институт бетона дает модуль упругости , чтобы быть рассчитана по следующей формуле:

${\ displaystyle E_ {c} = 33w_ {c} ^ {1.5} {\ sqrt {f '_ {c}}}}$ ( фунт / кв. дюйм )

куда

${\ displaystyle w_ {c} =}$вес бетона (фунтов на кубический фут) и где ${\ displaystyle 90 {\ frac {\ textrm {lb}} {{\ textrm {ft}} ^ {3}}} \ leq w_ {c} \ leq 155 {\ frac {\ textrm {lb}} {{\ textrm {ft}} ^ {3}}}}$

${\ displaystyle f '_ {c} =}$прочность бетона на сжатие через 28 дней (фунт / кв. дюйм)

Это уравнение полностью эмпирическое и не основано на теории. Обратите внимание, что найденное значение E _c выражается в фунтах на квадратный дюйм. Для бетона с нормальным весом (определяемого как бетон с w _c, равным 150 фунт / фут ^{3, за} вычетом 5 фунт / фут ³ для стали) разрешается принимать E _c равным . ${\ displaystyle 57000 {\ sqrt {f '_ {c}}}}$

Публикация, используемая инженерами по строительству мостов, - это Руководство по проектированию коэффициентов нагрузки и сопротивления AASHTO , или «LRFD». Согласно LRFD, раздел 5.4.2.4, E _c определяется:

${\ displaystyle E_ {c} = 33000K_ {1} w_ {c} ^ {1.5} {\ sqrt {f '_ {c}}}}$( тыс. фунтов / кв. дюйм )

куда

${\ displaystyle K_ {1} =}$ поправочный коэффициент для совокупного источника (принимается равным 1,0, если не определено иное)

${\ displaystyle w_ {c} =}$вес бетона (тысяч фунтов на кубический фут), где и ${\ displaystyle 0.090 {\ frac {\ textrm {kip}} {{\ textrm {ft}} ^ {3}}} \ leq w_ {c} \ leq 0.155 {\ frac {\ textrm {kip}} {{\ textrm {ft}} ^ {3}}}}$${\ displaystyle f_ {y} \ leq 15.0 {\ frac {\ textrm {kip}} {{\ textrm {in}} ^ {2}}}}$

${\ displaystyle f '_ {c} =}$ указанная прочность бетона на сжатие через 28 дней (тыс. фунтов на кв. дюйм)

Для бетона нормального веса ( w _c = 0,145 тысячи фунтов на кубический фут) E _c может быть принято как:

${\ displaystyle E_ {c} = 1820 {\ sqrt {f '_ {c}}}}$( тыс. фунтов / кв. дюйм )

Тепловые свойства

Расширение и усадка

Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения . Однако, если не предусмотрено расширение, могут возникать очень большие силы, вызывающие трещины в частях конструкции, не способных противостоять силе или повторяющимся циклам расширения и сжатия . Коэффициент теплового расширения портландцементного бетона составляет от 0,000009 до 0,000012 (на градус Цельсия) (от 8 до 12 микродеформаций / ° C) (8-12 1 / МК).

Теплопроводность

Бетон имеет умеренную теплопроводность , намного ниже, чем у металлов, но значительно выше, чем у других строительных материалов, таких как дерево, и является плохим изолятором.

Слой бетона часто используется для «огнезащиты» стальных конструкций. Однако термин «огнестойкий» не подходит, так как высокотемпературные пожары могут быть достаточно горячими, чтобы вызвать химические изменения в бетоне, которые в крайних случаях могут вызвать значительные структурные повреждения бетона.

Растрескивание

По мере созревания бетона он продолжает усадку из-за продолжающейся реакции, происходящей в материале, хотя скорость усадки падает относительно быстро и продолжает снижаться с течением времени (для всех практических целей обычно считается, что бетон не дает усадки из-за гидратации в дальнейшем после 30 лет). Относительная усадка и расширение бетона и кирпичной кладки требует тщательного согласования, когда две формы конструкции сопрягаются.

Все бетонные конструкции в той или иной степени потрескаются. Один из первых проектировщиков железобетона Роберт Майяр использовал железобетон в ряде арочных мостов. Его первый мост был простым, с использованием большого объема бетона. Затем он понял, что большая часть бетона сильно потрескалась и не могла быть частью конструкции под сжимающими нагрузками, но конструкция явно работала. Его более поздние проекты просто удалили потрескавшиеся участки, оставив стройные красивые бетонные арки. Мост Салгинатобель является примером этого.

Бетонные трещины из-за растягивающего напряжения, вызванного усадкой или напряжениями, возникающими во время схватывания или использования. Для преодоления этого используются различные средства. В бетоне, армированном волокном, используются мелкие волокна, распределенные по смеси, или более крупный металл или другие армирующие элементы, чтобы ограничить размер и степень трещин. Во многих крупных конструкциях стыки или скрытые пропилы размещаются в бетоне, поскольку он застывает, чтобы неизбежные трещины возникли там, где они могут быть устранены, и вне поля зрения. Резервуары для воды и дороги являются примерами конструкций, требующих защиты от трещин.

Растрескивание при усадке

Усадочные трещины возникают, когда бетонные элементы претерпевают ограниченные объемные изменения (усадку) в результате высыхания, автогенной усадки или теплового воздействия. Ограничение обеспечивается либо снаружи (например, опоры, стены и другие граничные условия), либо внутри (дифференциальная усадка при высыхании, армирование). Как только предел прочности бетона будет превышен, появится трещина. На количество и ширину образовавшихся усадочных трещин влияет величина возникающей усадки, величина имеющегося ограничения, а также количество и шаг арматуры. Это второстепенные признаки и не оказывают реального структурного воздействия на бетонный элемент.

Трещины пластической усадки видны сразу же, они видны в течение 0–2 дней после укладки, в то время как трещины при высыхании и усадке развиваются с течением времени. Автогенная усадка также возникает, когда бетон достаточно молодой, и является результатом уменьшения объема в результате химической реакции портландцемента.

Растрескивание

Бетонные элементы могут подвергаться растяжению под действием приложенных нагрузок. Это наиболее часто встречается в бетонных балках, где приложенная в поперечном направлении нагрузка вызывает сжатие одной поверхности, а противоположную - растяжения из-за индуцированного изгиба . Часть балки, находящаяся в растянутом состоянии, может треснуть. Размер и длина трещин зависят от величины изгибающего момента и конструкции арматуры в балке в рассматриваемой точке. Железобетонные балки предназначены для растрескивания, а не сжатия. Это достигается за счет использования арматурной стали, которая поддается перед разрушением бетона при сжатии, и позволяет проводить ремонтные работы, ремонт или, при необходимости, эвакуацию из небезопасной зоны.

Слизняк

Ползучесть - это постоянное движение или деформация материала для снятия напряжений внутри материала. Бетон, который подвергается длительным нагрузкам, склонен к ползучести. Кратковременные силы (такие как ветер или землетрясения) не вызывают ползучести. Ползучесть иногда может уменьшить количество трещин, возникающих в бетонной конструкции или элементе, но ее также необходимо контролировать. Количество первичного и вторичного армирования в бетонных конструкциях способствует уменьшению усадки, ползучести и растрескивания.

Задержка воды

Бетон из портландцемента удерживает воду. Тем не менее, некоторые типы бетона (например, проницаемый бетон ) пропускают воду, тем самым являясь прекрасной альтернативой дорогам из щебня , поскольку они не нуждаются в ливневой канализации .

Бетонные испытания

Инженеры обычно определяют требуемую прочность бетона на сжатие, которая обычно выражается как 28-дневная прочность на сжатие в мегапаскалях (МПа) или фунтах на квадратный дюйм (psi). Двадцать восемь дней - это долгое ожидание, чтобы определить, будет ли достигнута желаемая прочность, поэтому трех- и семидневные значения прочности могут быть полезны для прогнозирования конечной 28-дневной прочности бетона на сжатие. Прирост прочности на 25% в период от 7 до 28 дней часто наблюдается при использовании смесей на 100% OPC (обычный портландцемент), а увеличение прочности на 25-40% может быть достигнуто за счет включения пуццоланов, таких как зола, и дополнительных вяжущих материалов ( SCM), например, шлаковый цемент. Увеличение прочности зависит от типа смеси, ее составляющих, использования стандартного отверждения, надлежащего тестирования сертифицированными специалистами и ухода за баллонами при транспортировке. Для практических соображений необходимо точно проверить основные свойства бетона в его свежем пластичном состоянии.

Образцы бетона обычно отбирают во время его укладки, протоколы испытаний требуют, чтобы образцы были отверждены в лабораторных условиях (стандартное отверждение). Дополнительные образцы могут быть подвергнуты отверждению в полевых условиях (нестандартные) с целью ранней «зачистки» прочности, то есть снятия формы, оценки отверждения и т. Д., Но стандартные отвержденные цилиндры содержат критерии приемки. Бетонные испытания позволяют измерить «пластические» (негидратированные) свойства бетона до и во время укладки. Поскольку эти свойства влияют на прочность затвердевшего бетона на сжатие и долговечность (сопротивление замораживанию-оттаиванию), отслеживаются свойства удобоукладываемости (осадки / текучесть), температуры, плотности и возраста, чтобы обеспечить производство и укладку «качественного» бетона. В зависимости от местоположения проекта испытания проводятся в соответствии с ASTM International , Европейским комитетом по стандартизации или Канадской ассоциацией стандартов . Поскольку измерение качества должно отражать потенциал поставленного и уложенного бетонного материала, необходимо, чтобы технические специалисты, выполняющие бетонные испытания, были сертифицированы в соответствии с этими стандартами. Конструктивное проектирование , конструкция и свойства бетонных материалов часто определяются в соответствии с национальными / региональными нормативами проектирования, такими как Американский институт бетона .

Испытания на прочность на сжатие проводятся сертифицированными специалистами с использованием оборудованного гидравлического плунжера, который ежегодно калибруется с помощью приборов, относящихся к Справочной лаборатории цемента и бетона (CCRL) Национального института стандартов и технологий (NIST) в США или аналогичных региональных. на международном уровне. Стандартными форм-факторами являются цилиндрические образцы размером 6 на 12 дюймов или 4 на 8 дюймов, при этом некоторые лаборатории предпочитают использовать кубические образцы. Эти образцы сжаты до отказа. Испытания на разрыв проводят либо путем трехточечного изгиба образца призматической балки, либо путем сжатия по сторонам стандартного цилиндрического образца. Эти разрушающие испытания не следует приравнивать к неразрушающему контролю с использованием отбойного молотка или систем датчиков, которые являются переносными индикаторами относительной прочности нескольких верхних миллиметров сравнительных бетонов в полевых условиях.

Механические свойства при повышенной температуре

Температуры, превышающие 300 ° C (572 ° F), ухудшают механические свойства бетона, включая прочность на сжатие, прочность на излом, предел прочности и модуль упругости, что отрицательно сказывается на его структурных изменениях.

Химические изменения

При повышенной температуре бетон теряет продукт гидратации из-за испарения воды. Следовательно, его сопротивление потоку влаги в бетоне уменьшается, а количество негидратированных зерен цемента увеличивается с потерей химически связанной воды, что приводит к снижению прочности на сжатие. Кроме того, при разложении гидроксида кальция в бетоне образуется известь и вода. При понижении температуры известь вступает в реакцию с водой и расширяется, вызывая снижение прочности.

Физические изменения

При повышенных температурах небольшие трещины образуются и распространяются внутри бетона с повышенной температурой, возможно, из-за дифференциальных термических коэффициентов расширения в цементной матрице. Аналогичным образом, когда вода испаряется из бетона, потеря воды препятствует расширению цементной матрицы за счет усадки. Более того, когда температура достигает 573 ° C (1063 ° F), кремнеземистые агрегаты превращаются из α-фазы, гексагональной кристаллической системы, в β-фазу, структуру с ОЦК, вызывая расширение бетона и снижая прочность материала.

Скалывание

Выкрашивание при повышенной температуре сильно выражено из-за давления пара и термических напряжений. Когда бетонная поверхность подвергается достаточно высокой температуре, вода вблизи поверхности начинает выходить из бетона в атмосферу. Однако из-за высокого температурного градиента между поверхностью и внутренним пространством пар может также попадать внутрь, где он может конденсироваться при более низких температурах. Водонасыщенный интерьер препятствует дальнейшему проникновению пара в массу бетона. Если скорость конденсации пара намного выше скорости выхода пара из бетона из-за достаточно высокой скорости нагрева или достаточно плотной пористой структуры, большое поровое давление может вызвать растрескивание. В то же время тепловое расширение на поверхности будет создавать перпендикулярное сжимающее напряжение, противоположное растягивающему напряжению внутри бетона. Отслаивание происходит, когда сжимающее напряжение превышает растягивающее.

Смотрите также

• Сегрегация в бетоне - сегрегация частиц в бетоне
• Ползучесть и усадка бетона

использованная литература