Свойства бетона

Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие (сопротивление разрушению при сжатии), но значительно меньшую прочность на растяжение (сопротивление разрушению при разрыве). Прочность на сжатие обычно контролируется соотношением воды и цемента при формировании бетона, а прочность на растяжение увеличивается с помощью добавок, обычно стали, для создания армированного бетона. Другими словами, мы можем сказать, что бетон состоит из песка (который представляет собой мелкий заполнитель), балласта (который представляет собой крупный заполнитель), цемента (его можно назвать связующим веществом) и воды (который является добавкой).

Железобетон

Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие , но значительно меньшую прочность на растяжение . В результате без компенсации бетон почти всегда разрушается от растягивающих напряжений, даже при нагрузке на сжатие. Практический смысл этого заключается в том, что бетонные элементы, подвергающиеся растягивающим напряжениям, должны быть армированы 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 растрескивания матрицы. Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , и по мере созревания бетон дает усадку. Все бетонные конструкции в той или иной степени трескаются из-за усадки и растяжения. Бетон, подвергающийся длительным воздействиям, склонен к ползучести . Плотность бетона варьируется, но составляет около 2400 кг на кубический метр (150 фунтов/куб футов).

Железобетон – самый распространенный вид бетона. Арматура часто представляет собой стальную арматуру (сетку, спираль, стержни и другие формы). структурные волокна Доступны из различных материалов. Бетон также можно подвергнуть предварительному напряжению (уменьшая растягивающее напряжение ) с использованием внутренних стальных тросов (аргументов), что позволяет использовать балки или плиты с более длинными пролетами , чем это практически возможно при использовании только железобетона. Осмотр существующих бетонных конструкций может быть неразрушающим, если проводить его с помощью такого оборудования, как молоток Шмидта , который иногда используется для оценки относительной прочности бетона в полевых условиях.

Смешайте дизайн

На предельную прочность бетона влияют соотношение воды и цемента (в/см) , расчетные компоненты, а также используемые методы смешивания, укладки и отверждения. При прочих равных условиях бетон с более низким водоцементным (цементным) соотношением получается более прочный, чем бетон с более высоким соотношением. Общее количество вяжущих материалов ( портландцемент , шлакоцемент , пуццоланы ) может влиять на прочность, водопотребность, усадку, стойкость к истиранию и плотность. Любой бетон растрескается независимо от того, обладает ли он достаточной прочностью на сжатие. Фактически, смеси с высоким содержанием портландцемента могут растрескиваться быстрее из-за повышенной скорости гидратации. Когда бетон переходит из пластического состояния, гидратируясь в твердое, материал подвергается усадке. Трещины из-за пластической усадки могут возникнуть вскоре после укладки, но если скорость испарения высока, они часто могут возникать во время отделочных работ, например, в жаркую погоду или в ветреный день.

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

Wired.com сообщил 13 апреля 2007 года, что команда из Тегеранского университета , участвующая в конкурсе, спонсируемом Американским институтом бетона , продемонстрировала несколько блоков бетона с аномально высокой прочностью на сжатие от 340 до 410 МПа (от 49 000 до 59 000 фунтов на квадратный дюйм) на 28 дней. В блоках, по-видимому, использовался заполнитель из стальных волокон и кварца – минерала с прочностью на сжатие 1100 МПа, что намного выше, чем у типичных высокопрочных заполнителей, таких как гранит (100–140 МПа или 15 000–20 000 фунтов на квадратный дюйм). Реактивный порошковый бетон, также известный как сверхвысокопрочный бетон, может быть еще прочнее: прочность до 800 МПа (116 000 фунтов на квадратный дюйм). Они производятся путем полного исключения крупных заполнителей, тщательного контроля размера мелких заполнителей для обеспечения наилучшей упаковки и включения в матрицу стальных волокон (иногда получаемых путем измельчения стальной ваты). В реактивных порошковых бетонах также может использоваться микрокремнезем в качестве мелкого заполнителя. Коммерческие реактивные порошковые бетоны доступны в диапазоне прочности 17–21 МПа (2500–3000 фунтов на квадратный 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 снижаться при более высоких уровнях напряжения по мере развития растрескивания матрицы. Модуль упругости затвердевшей пасты может составлять порядка 10-30 ГПа, а агрегатов - около 45-85 ГПа. В этом случае бетонный композит находится в диапазоне от 30 до 50 ГПа.

Американский институт бетона позволяет рассчитывать модуль упругости по следующему уравнению:

$E_{c}=33w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}$ ( пси )

где

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

$f'_{c}=$прочность бетона на сжатие через 28 дней (psi)

Это уравнение является полностью эмпирическим и не основано на теории. Обратите внимание, что найденное значение E _c выражено в фунтах на квадратный дюйм. Для бетона нормального веса (определяемого как бетон с водоемкостью 150 _. фунтов/фут) ³ и вычитая 5 фунтов/фут ³ для стали) E _c допускается принимать равной $57000{\sqrt {f'_{c}}}$.

Публикацией, используемой инженерами-конструкторами мостов, является «Руководство по проектированию коэффициентов нагрузки и сопротивления AASHTO », или «LRFD».Из LRFD, раздел 5.4.2.4, E _c определяется:

$E_{c}=33000K_{1}w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}$ ( кси )

где

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

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

$f'_{c}=$ заданная прочность бетона на сжатие через 28 дней (тысячи фунтов на квадратный дюйм)

Для бетона нормальной массы ( w _c = 0,145 тысяч фунтов на кубический фут) E _c можно принять как:

$E_{c}=1820{\sqrt {f'_{c}}}$ ( кси )

Термические свойства

Расширение и сжатие

Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения . Однако, если не предусмотрено расширение, могут возникнуть очень большие силы, вызывающие трещины в частях конструкции, не способных выдержать силу или повторяющиеся циклы расширения и сжатия . Коэффициент теплового расширения портландцементного бетона составляет от 0,000009 до 0,000012 (на градус Цельсия) (от 8 до 12 микродеформаций/°С) (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 «огнеупорность» неуместен, поскольку пожары при высоких температурах могут быть достаточно горячими, чтобы вызвать химические изменения в бетоне, что в крайнем случае может привести к значительному структурному повреждению бетона.

Крекинг

Мост Салгинатобель , Швейцария .

По мере созревания бетона он продолжает давать 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 требуют тщательного согласования, когда эти две формы конструкции соприкасаются.

Все бетонные конструкции в той или иной степени трескаются. Один из первых проектировщиков железобетона, Роберт Майяр , использовал железобетон в ряде арочных мостов. Его первый мост был простым, в нем использовался большой объем бетона. Затем он понял, что большая часть бетона сильно потрескалась и не могла быть частью конструкции при сжимающих нагрузках, однако конструкция явно работала. Его более поздние проекты просто удалили потрескавшиеся участки, оставив тонкие, красивые бетонные арки. Мост Салгинатобель является примером этого.

Трещины в бетоне из-за растягивающего напряжения, вызванного усадкой, или напряжений, возникающих во время схватывания или эксплуатации. Для преодоления этого используются различные средства. В фибробетоне используются тонкие волокна, распределенные по всей смеси, или более крупные металлические или другие армирующие элементы, чтобы ограничить размер и протяженность трещин. Во многих крупных конструкциях швы или скрытые пропилы делаются в бетоне по мере его застывания, чтобы неизбежные трещины возникали там, где их можно контролировать и скрыть от глаз. Резервуары для воды и автомагистрали являются примерами конструкций, требующих контроля трещин.

Усадочное растрескивание

Усадочные трещины возникают, когда бетонные элементы претерпевают ограниченные объемные изменения (усадку) в результате высыхания, автогенной усадки или термического воздействия. Ограничение обеспечивается либо снаружи (т. е. опоры, стены и другие граничные условия), либо внутри (дифференциальная усадка при высыхании, армирование). При превышении предела прочности бетона образуется трещина. На количество и ширину образующихся усадочных трещин влияет величина возникающей усадки, величина имеющихся ограничений, а также количество и расстояние между армирующими элементами. Это незначительные признаки, которые не оказывают реального структурного воздействия на бетонный элемент.

Трещины пластической усадки проявляются сразу же, через 0–2 дня после укладки, а трещины высыхания-усадки развиваются с течением времени. Автогенная усадка также происходит, когда бетон достаточно молодой и возникает в результате уменьшения объема в результате химической реакции портландцемента.

Растрескивание под напряжением

Бетонные элементы могут растягиваться под действием приложенных нагрузок. Это наиболее распространено в бетонных балках , где поперечно приложенная нагрузка приводит к сжатию одной поверхности, а к растяжению противоположной поверхности из-за вынужденного изгиба . Часть балки, находящаяся под напряжением, может треснуть. Размер и длина трещин зависят от величины изгибающего момента и конструкции арматуры балки в рассматриваемой точке. Железобетонные балки рассчитаны на растрескивание при растяжении, а не при сжатии. Это достигается за счет использования арматурной стали, которая поддается деформации до того, как произойдет разрушение бетона при сжатии, и позволяет провести исправление, ремонт или, при необходимости, эвакуацию из небезопасной зоны.

Слизняк

Ползучесть — это постоянное движение или деформация материала с целью снятия напряжений внутри материала. Бетон, подвергающийся длительным воздействиям, склонен к ползучести. Кратковременные силы (например, 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 количества усадки, ползучести и растрескивания.

Удержание воды

Портландцементный бетон удерживает воду. Тем не менее, некоторые типы бетона (например, водопроницаемый бетон ) пропускают воду, поэтому они являются идеальной альтернативой дорогам из щебня , поскольку их не нужно оборудовать ливневыми стоками .

Тестирование бетона

Испытание бетонного цилиндра на сжатие

Тот же цилиндр после отказа

Инженеры обычно указывают требуемую прочность бетона на сжатие, которая обычно выражается как 28-дневная прочность на сжатие в мегапаскалях (МПа) или фунтах на квадратный дюйм (фунты на квадратный дюйм). Двадцать восемь дней — это долгое ожидание, чтобы определить, будет ли достигнута желаемая прочность, поэтому трехдневные и семидневные значения прочности могут быть полезны для прогнозирования предельной 28-дневной прочности бетона на сжатие. Прирост прочности на 25% в период от 7 до 28 дней часто наблюдается при использовании смесей, содержащих 100% OPC (обычный портландцемент), а прирост прочности на 25–40% может быть достигнут при включении пуццоланов, таких как летучая зола, и дополнительных вяжущих материалов ( SCM), такие как шлаковый цемент. Прирост прочности зависит от типа смеси, ее компонентов, использования стандартных отвердителей, надлежащего тестирования сертифицированными специалистами и ухода за баллонами при транспортировке. Из практических соображений необходимо точно проверить основные свойства бетона в его свежем пластичном состоянии.

Бетон полевой обработки в стальных кубических формах (Греция)

Пробы бетона обычно отбираются во время укладки, при этом протоколы испытаний требуют, чтобы тестовые образцы отверждались в лабораторных условиях (стандартное отверждение). Дополнительные образцы могут быть отверждены в полевых условиях (нестандартные) с целью раннего «снятия» прочности, то есть удаления формы, оценки отверждения и т. д., но стандартные отвержденные цилиндры включают критерии приемки. Испытания бетона позволяют измерить «пластические» (негидратированные) свойства бетона до и во время укладки. Поскольку эти свойства влияют на прочность затвердевшего бетона на сжатие и долговечность (стойкость к замораживанию-оттаиванию), свойства удобоукладываемости (осадка/текучесть), температура, плотность и возраст контролируются, чтобы гарантировать 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 доставленного и уложенного бетонного материала, крайне важно, чтобы специалисты по бетону, выполняющие испытания бетона, были сертифицированы для этого в соответствии с этими стандартами. Структурный проект , расчет и свойства бетонного материала часто указываются в соответствии с национальными/региональными нормами проектирования, такими как Американский институт бетона .

Испытания на прочность на сжатие проводятся сертифицированными техническими специалистами с использованием оснащенного гидравлическим домкратом , который ежегодно калибруется с помощью приборов, прослеживаемых в Справочной лаборатории по цементу и бетону (CCRL) Национального института стандартов и технологий (NIST) в США или региональных эквивалентах. на международном уровне. Стандартизированные форм-факторы представляют собой цилиндрические образцы размером 6 на 12 дюймов или 4 на 8 дюймов, при этом некоторые лаборатории предпочитают использовать кубические образцы. Эти образцы сжимаются до отказа. Испытания на прочность на растяжение проводят либо трехточечным изгибом образца призматической балки, либо сжатием по бокам стандартного цилиндрического образца. Эти разрушающие испытания не следует приравнивать к неразрушающим испытаниям с использованием отбойного молотка или зондовых систем, которые являются ручными индикаторами относительной прочности верхних нескольких миллиметров сравнительных бетонов в полевых условиях.

Механические свойства при повышенной температуре

Температуры, повышенные выше 300 ° C (572 ° F), ухудшают механические свойства бетона, включая прочность на сжатие, прочность на излом, прочность на растяжение и модуль упругости, что оказывает вредное воздействие на его структурные изменения.

Химические изменения

При повышенной температуре бетон потеряет продукт гидратации из-за испарения воды. Поэтому с потерей химически связанной воды снижается сопротивление влагопотоку бетона и увеличивается количество негидратированных зерен цемента, что приводит к снижению прочности на сжатие. Также при разложении гидроксида кальция в бетоне образуются известь и вода. При понижении температуры известь вступает в реакцию с водой и расширяется, вызывая снижение прочности.

Физические изменения

При повышенных температурах внутри бетона образуются и распространяются небольшие трещины с повышенной температурой, что, возможно, вызвано разными термическими коэффициентами расширения внутри цементной матрицы. Аналогичным образом, когда вода испаряется из бетона, потеря воды препятствует расширению цементной матрицы за счет ее усадки. Более того, когда температура достигает 573 ° C (1063 ° F), кремнистые агрегаты преобразуются из α-фазы, гексагональной кристаллической системы, в β-фазу, ОЦК структуру, вызывая расширение бетона и снижение прочности материала.

Откол

Растрескивание при повышенной температуре выражено, что вызвано давлением пара и термическими напряжениями. Когда бетонная поверхность подвергается достаточно высокой температуре, вода, находящаяся вблизи поверхности, начинает выходить из бетона в атмосферу. Однако при высоком температурном градиенте между поверхностью и внутренней частью пар также может перемещаться внутрь, где он может конденсироваться при более низких температурах. Водонасыщенная внутренняя часть препятствует дальнейшему движению пара в массу бетона. Если скорость конденсации пара намного превышает скорость 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 создаст перпендикулярное сжимающее напряжение, противоположное растягивающему напряжению внутри бетона. Растрескивание происходит, когда сжимающее напряжение превышает растягивающее напряжение.

См. также

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