Физико-механические свойства бетона. Прочностные характеристики бетона

1. ЛЕКЦИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

ПЕРЕЧЕНЬ РАССМАТРИВАЕМЫХ ВОПРОСОВ
1. Общие сведения о бетоне. Классификация
2. Физические свойства бетона
3. Прочностные характеристики бетона
4. Классы и марки бетона
5. Прочность бетона на растяжение
6. Расчетная прочность бетона

2. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНЕ

КОМПОНЕНТЫ БЕТОНА:
инертные (крупные и мелкие заполнители)
активные (вяжущие, вода, добавки)
Заполнитель крупный:
гравий (кр.5 - 70 мм),
щебень (кр.5 - 70),
пористый: пемза, туф, шлак.
Заполнитель мелкий:
(кр. 0,1 - 5 мм): состав (кварцевые,
доломитовые,
полевошпатные,
известняковые) образования (горные,
речные, овражные, морские, гравийные),
примеси (уголь, гипс, слюда, органика,
гравийные).
Вода:
техническая
вода
с
ограничениями примесей (СТБ1114)
Вяжущие:
глина,
гипс,
известь,
цемент.

3. Классификация бетонов:

ПО СТРУКТУРЕ:
плотный бетон: пространство между зернами
ПО ЗАПОЛНИТЕЛЮ:
заполнителя
вяжущим;
на плотном: гравий или щебень горных пород, кварцевый
полностью
крупнопористый
занято
бетон:
затвердевшим
(малопесчаный
и
беспесчаный)
—
с
частично
заполненным
пространством между зернами заполнителя;
поризованный бетон: вяжущее между зернами
заполнителя поризовано при помощи специальных
добавок;
ячеистый бетон: с искусственно созданными
замкнутыми порами
ПО ВИДУ ВЯЖУЩЕГО:
силикатные (на известковом вяжущем),
цементные,
на гипсе (гипсовое вяжущее)
на смешенном (цемент-известь),
на специальном вяжущем (полимерные)
песок
на пористом: естественный (перлит, пемза, ракушечник
или искусственный (керамзит, шлак)
на специальном
Обычно щебень предпочитают гравию, так как он
позволяет дешевле и быстрее обеспечивать
оптимальный зерновой состав бетона заданной
плотности и прочности.
В зависимости от вида пористых заполнителей
различают
керамзитобетон,
шлакобетон,
перлитобетон, пемзобетон и т. д

4. Классификация бетонов:

ЛЕГКИЙ БЕТОН – это бетон,
имеющий замкнутую структуру и
3
плотность не более 2000 кг/м ,
состоящий из смеси искусственных
и природных легких заполнителей,
плотность частиц которых менее
3
2000 кг/м , или содержащих такую
смесь
по объемному весу:
3
особо тяжёлый (> 2600 кг/м )
3
тяжелый (2000 – 2600 кг/м )
3
легкие (800 – 2000 кг/м
3)
особо лёгкие (ниже 800 кг/м
Класс плотности
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
3
Плотность, кг/м
801–
1000
1001–
1200
1201–
1400
1401–
1600
1601– 1801–2000
1800
неармированного
бетона
1050
1250
1450
1650
1850
2050
железобетона
1150
1350
1550
1750
1950
2150
Плотность,
3
кг/м
2,0

5. Классификация бетонов:

ПО ЗЕРНОВОМУ СОСТАВУ:
КРУПНОЗЕРНИСТЫЕ: с крупными и мелкими заполнителями;
МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ: с мелкими заполнителями
ПО УСЛОВИЮ ТВЕРДЕНИЯ:
бетон естественного твердения,
бетон,
подвергнутый
тепловлажностной
обработке
при
атмосферном давлении;
бетон, подвергнутый тепловой обработкой при повышенном
давлении (автоклав)

6. БЕТОНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ:

ОБЫЧНЫЙ БЕТОН — плотной структуры, на плотных
заполнителях, крупнозернистый на цементном вяжущем, при любых
3
условиях твердения (средняя плотность 2200...2500 кг/м );
МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН — плотной структуры, тяжелый, на
мелких заполнителях, на цементном вяжущем, при любых условиях
3
твердения (средняя плотность более 1800 кг/м );
ЛЕГКИЙ БЕТОН — плотной и поризованной структуры, на
пористых заполнителях, крупнозернистый, на цементном
вяжущем, при любых условиях твердения;
ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН автоклавного и неавтоклавного твердения;
СПЕЦИАЛЬНЫЙ напрягающий бетон.

7. Свойства бетонов:

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
прочностные свойства (механическое свойство материала,
характеризующее его способность сопротивляться воздействиям,
обычно выражается в единицах напряжений: прочность бетона на
сжатие fc, на растяжение fct)
деформативные свойства (сжимаемость и растяжимость бетона под
нагрузкой, ползучесть и усадку, набухание и температурные
деформации)
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
водонепроницаемость,
морозо- и жаростойкость,
коррозионную стойкость,
огнестойкость,
тепло- и звукопроводность,
кислотостойкость)

8. 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ - способность материала в увлажненном
состоянии сопротивляться разрушающему воздействию попеременного
замораживания и оттаивания. Бетон является морозостойким, если он выдерживает 50...500 и более
циклов попеременного замораживания и оттаивания. Решающее влияние на морозостойкость бетона оказывают
водоцементное отношение и структура.
ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТЬ - способность материала не пропускать
воду.
ОГНЕСТОЙКОСТЬ - способность материала сохранять прочность при
пожаре (1000...1100 °С). Бетон является огнестойким материалом, так как при температурах пожара он
практически сохраняет свои прочностные и деформативные свойства.
ЖАРОСТОЙКОСТЬ - способность бетона сохранять прочность при
длительном воздействии высоких температур (выше 200 °С). В целях увеличения
жаростойкости бетона применяют специальные заполнители: базальт, диабаз, хромит, шамот, доменные шлаки и
вяжущее: глиноземистый цемент, портландцемент с добавками, жидкое стекло.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ - способность материала не вступать
в химическую реакцию с окружающей средой.

9. СТРУКТУРА БЕТОНА

Структура оказывает решающее влияние на прочностные и
деформативные характеристики бетона.
Структура бетона грубо неоднородна и зависит от
многочисленных факторов:
зернового состава крупных и мелких заполнителей,
объемной концентрации цементного камня,
водоцементного отношения,
способов уплотнения,
условий твердения,
степени гидратации цементного камня и др.

10. СТРУКТУРА БЕТОНА

Структура бетона формируется в виде пространственной решетки из
цементного камня, заполненной зернами крупных и мелких заполнителей и
пронизанной многочисленными микропорами и капиллярами, содержащими
химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.
МАТЕРИАЛЬНЫЕ ФАЗЫ БЕТОНА
ТВЕРДАЯ ИЛИ ЖЕСТКИЙ СКЕЛЕТ:
заполнитель,
не прореагировавшие зерна цемента
ЖИДКАЯ
коллоидный раствор продуктов
гидратации
ГАЗООБРАЗНАЯ
воздух
1. цементный камень
2. щебень
3. песок
4. поры, заполненные воздухом и водой;

11. СТАДИИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ

c
- относительная деформация
бетона;
c1 - относительная деформация
бетона, соответствующая прочности
бетона на сжатие fc;
cu - относительные деформации
бетона,
соответствующие
предельной сжимаемости бетона;
fc - прочность бетона на сжатие при
одноосном напряженном состоянии

12. Формирование и развитие микротрещин в модельной структуре бетона

Начальный участок зависимости можно
считать практически линейными.
На
этой
стадии
наблюдается
незначительное
увеличение
числа
контактных микротрещин на границе
частиц заполнителя и матрицы.

13. Формирование и развитие микротрещин в модельной структуре бетона

2 стадия – ПОЯВЛЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ТРЕЩИН
На второй стадии микротрещинообразования наблюдается интенсивное увеличение длины, ширины раскрытия и
числа контактных микротрещин, что приводит к появлению нелинейного участка на графике зависимости
«напряжения–деформации». Эта стадия характеризуется незначительным количеством микротрещин в матрице.
Вместе с тем на второй стадии начинают появляться комбинированные микротрещины, объединяющие, главным
образом, контактные микротрещины вокруг зерен заполнителя. Следует отметить, что формирование этих трещин,
хотя и не нарушает стабильного состояния системы, приводит к скольжению зерен заполнителей относительно
матрицы. Этим обусловлено проявление ярко выраженных неупругих свойств бетона на участке II диаграммы
деформирования
3 стадия – ЗАРОЖДАЮТСЯ МАГИСТРАЛЬНЫЕ ТРЕЩИНЫ
В третьей стадии увеличивается число и суммарная длина комбинированных трещин, возрастает их ширина раскрытия.
На этой стадии начинают формироваться ярко выраженные микротрещины в матрице. Однако интенсивное развитие
комбинированных микротрещин не ведет к незамедлительному исчерпанию прочности материала

14. Формирование и развитие микротрещин в модельной структуре бетона

4 стадия – ГЛОБАЛЬНЫЕ ТРЕЩИНЫ, РАЗРУШЕНИЕ
Появление нисходящей ветви на диаграмме деформирования бетона (участок IV) обусловлено интенсивным
развитием глобальных или магистральных трещин, приводящих, в конечном итоге, к физическому
разрушению материала.

15. 3. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

Данные о фактической прочности и деформативности бетона основывают на большом числе
экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях.
НА ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА большое влияние оказывает режим и
продолжительность нагружения образцов.
при замедленном нагружении прочность бетона оказывается на 10 – 15 % меньше, чем
при кратковременном.
при быстром нагружении (0,2 с и менее) прочность бетона возрастает до 20%.
Бетон имеет различную прочность
при разных силовых воздействиях:
сжатии,
растяжении,
изгибе,
срезе.
различают несколько характеристик прочности бетона:
кубиковую и призменную прочность;
прочность при срезе и скалывание;
при многократно повторных нагрузках;
при кратковременном действии нагрузок;
при длительном действии нагрузок;
при динамическом действии нагрузок
За основную характеристику (эталон) прочностных и деформативных
свойств бетона принята его ПРОЧНОСТЬ НА ОСЕВОЕ СЖАТИЕ.
Все другие прочностные характеристики (на растяжение, местное сжатие и др.)
и модуль деформаций зависят от прочности бетона на осевое сжатие и
определяются по эмпирическим формулам при помощи экспериментальных
коэффициентов.

16. 3. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

Кубиковая прочность
кубы 15x15x15 см; испытывают их при температуре (20 ± 2) °С через 28 дней
твердения в нормальных условиях при температуре воздуха 15...20°С и
относительной влажности 90...100%.
На величину оцениваемой прочности бетона в лабораторных условиях существенно влияет форма и размеры образцов:
например, чем меньше куб, тем больше прочность. Так, прочность сжатию бетонных кубов со стороной 10 см на 10 %
выше, чем прочность эталонных кубов, а прочность куба со стороной в 30 см ниже на 11 – 13 %.
а – несмазанный куб;
б – смазанный куб;
Δ – поперечные деформации
бетона

17. Влияние отношения (h/b; l/) на прочность бетонных образцов в условиях одноосного сжатия

Влияние отношения (h/b; l/ ) на прочность бетонных
образцов в условиях одноосного сжатия
Экспериментальными
исследованиями
установлено, что для образцов с равной
площадью поперечного сечения пиковые
напряжения
в
вершине
диаграммы,
связывающей напряжения и деформации
бетона, соответствующие кратковременному
пределу
прочности,
уменьшаются
с
возрастанием высоты образца.
Многие исследователи обоснованно доказывали, что
образцы цилиндрической формы диаметром 150 мм и
высотой 300 мм достаточно хорошо аппроксимируют
прочность традиционных бетонов в сжатой зоне
конструкции.
Однако при составлении нормативных документов по
проектированию
железобетонных
конструкций
принимали во внимание то обстоятельство, что
испытание кубов остается в ближайшем будущем
основным способом контроля прочности бетона на
производстве.

18. Цилиндрическая прочность

Под цилиндрической прочностью понимают
прочность fc осевому сжатию цилиндра с
отношением высоты призмы h к поперечному размеру
а, равном 4.
70х70х280 и другие

19. 4. МАРКИ БЕТОНА

Показатели качества бетона
марка по морозостойкости:
установленное нормами
минимальное число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона,
испытанных по базовым методам, при которых сохраняются
первоначальные физико-механические свойства в нормируемых пределах;
обозначается буквой F и числом, выражающим количество циклов
– F50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500
марка по водонепроницаемости:
отвечает
гарантированному значению давления воды, выдерживаемому бетоном без
ее просачивания; обозначается буквой W и числом, соответствующим
давлению, в атмосферах
– W2, 4, 6, 8, 10, 12
марка по самонапряжению Sp 2,0

20. КЛАСС БЕТОНА

ОСНОВНЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА БЕТОНА:
класс по прочности на сжатие
класс
экспозиции,
связанный
с
условиями
окружающей среды, в соответствии с СТБ EN 206;
класс легкого бетона по плотности D:
марка по самонапряжению Sp (для напрягающих
бетонов)
класс по содержанию хлоридов в бетоне в
соответствии с СТБ EN 206;
крупность зерна заполнителя ( Dupper и Dlower) по СТБ EN 206;

21. КЛАСС БЕТОНА

Класс бетона характеризует механические свойства бетона
и определяется значением его прочности на осевое сжатие.
Класс бетона обозначается буквенным символом С и
числами,
соответствующими
значениям
характеристической и гарантированной прочности.
Обозначение класса бетона
С
f ck
f
G
ck . cube

22. КЛАСС БЕТОНА

f ck
С
G
f ck .cube
гарантированная прочность бетона на осевое сжатие f
– значение
прочности бетона, определяемое при осевом сжатии кубов размерами 150 150 150
мм, с обеспеченностью 0,95 и гарантируемое производителем в соответствии с
нормативными требованиями;
характеристическая прочность бетона на осевое сжатие fck и flck: –
значение прочности бетона, определяемое при осевом сжатии цилиндрических
образцов, назначенное с учетом статистической изменчивости при обеспеченности
0,95;
G
ck ,cube

23. КЛАСС ПО ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ С12/15

С
f ck
f
G
ck . cube
КЛАСС ПО ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ
С12/15
Характеристическая прочность бетона с учетом статистической изменчивости
свойств бетона, определяется по формуле:
f ck ,005 f ck f cm t s
fcm – средняя прочность бетона на сжатие;
s – среднеквадратичное (стандартное) отклонение
t – параметр статистики кривой распределения (при принятой обеспеченности нормативных
значений 0,95, параметр t = 1,64).
f ck f cm 1.64 s
f ck 0,8 f
G
c ,cube

24. конструкционные бетоны по СТБ EN 206

нормальной прочности
• С12/15; С16/20; С20/25; С25/30; С30/37;
С35/45; С40/50; С45/55;
высокопрочные
• С50/60; С55/67; С60/75; С70/85; С80/95;
С90/105;

25. КЛАССЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ БЕТОНОВ ПО СТБ EN 206:

при классе плотности:
1,2 — LС8/9; LС12/13;
1,4 — LС12/13; LС16/18; LС20/22;
1,6 — LС12/13; LС16/18; LС20/22; LС25/28;
1,8 — LС12/13; LС16/18; LС20/22; LС25/28; LС30/33;
2,0 — LС16/18; LС20/22; LС25/28; LС30/33; LС35/38.

26. 5. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА РАСТЯЖЕНИЕ

Прочность бетона на осевое растяжение определяют испытаниями:
на разрыв – образцов в виде восьмерки;
Учитывая сложности, возникающие при испытании образцов прямым
растяжением, нормативные документы допускают контролировать
прочность бетона на растяжение косвенным методом – как прочность на
растяжение при изгибе (fct,fl)

27. 5. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА РАСТЯЖЕНИЕ

на изгиб – бетонных балок:
Зависимость между средней прочностью бетона на растяжение при
изгибе fctm,fl и средней прочностью на осевое растяжение fctm
h
fctm,fl fctm 1,6
1000
где h - полная высота элемента, мм;
fctm - средняя прочность на осевое растяжение

28. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ СРЕДНЕЙ ПРОЧНОСТЬЮ БЕТОНА НА РАСТЯЖЕНИЕ И ЕГО СРЕДНЕЙ ПРОЧНОСТЬЮ НА СЖАТИЕ

с определенным допущением, при выполнении инженерных расчетов
прочность бетона на растяжение принято определять в зависимости от
прочности на сжатие. В основном взаимосвязь между средней прочностью
бетона на растяжение и его средней прочностью на сжатие принимают по
предложению Фере (Feret) в виде
2
f ctm 0.3 f
3
ck
Тогда характеристическое значение предела
прочности бетона при растяжении
2
2
f ctk 0 ,7 f ctm 0 ,7 0 ,3 f ck 0 ,21 f ck
3
3

29. 6. РАСЧЕТНАЯ ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА

cc ktc fck
fcd
c
1/3
40
сс
f
ck
1
коэффициент,
учитывающий
разность
между
прочностью бетона, установленную с применением контрольных образцов,
и эффективной прочностью бетона в конструктивном элементе;
определенный по формуле.
ktc 1,0 коэффициент, учитывающий влияние на прочность бетона
длительности действия нагрузки, неблагоприятного способа ее приложения,
повышенной хрупкости высокопрочного бетона и т. п.
c = 1,5 частный коэффициент безопасности для бетона (учитывает возможные
отклонения значений прочностей бетона fck, fctk, flck, flctk ниже характеристических значений, отклонения
геометрических размеров сечений, разницу между прочностью бетона, определяемой на опытных образцах, и
прочностью бетона в конструкции)

30. РАСЧЕТНУЮ ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА РАСТЯЖЕНИЕ fctd

f ctd
ktc f ctk
c
где ktс — коэффициент, учитывающий влияние на
прочность на растяжение бетона нормального веса
длительности действия нагрузки, неблагоприятного
способа ее приложения, повышенной хрупкости
высокопрочного бетона и т. п.; принимают равным 0,7.