Железобетонные конструкции

Раздел: Строительство

1. Бетон как материал для железобетонных конструкций. Бетон — это искусственный камневидный материал, получаемый в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего, воды и заполнителей. Свойства составляющих колеблются в широких пределах, поэтому и характеристики бетонов весьма разнообразны.

Физико-механические свойства бетона зависят от состава смеси, вида вяжущего и заполнителей, водоцемент- ного отношения, способов приготовления, укладки и обработки бетонной смеси, условий твердения (естественное твердение, пропаривание, автоклавная обработка), возраста бетона и др. Все эти особенности следует учитывать при выборе материалов для бетона, назначении его состава и способов приготовления.

Бетон должен обладать достаточно высокой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой и плотностью, которая обеспечивает защиту арматуры от коррозии и долговечность конструкций.

В зависимости от объемной массы различают бетоны на плотных заполнителях (тяжелый бетон), на пористых заполнителях (легкий бетон), ячеистый. Наиболее широкое применение в строительстве получили обычные тяжелые бетоны с объемной массой 2200—2500 кг/м3 включительно. Прочность тяжелого бетона достигает 60— 80 МПа и выше.

Бетоны с объемной массой более 2500 кг/м3 относятся к особо тяжелым; они используются для защиты от радиации и приготовляются с применением особых видов заполнителей с повышенной объемной массой.

Бетон на пористых заполнителях имеет объемную массу не более 2200 кг/м3. Прочность такого бетона обычно не превышает 40—50 МПа. Пористыми заполнителями являются керамзит, аглопорит, туф, пемза, шун- гизит и др.

Благодаря меньшей звуко- и теплопроводности бетон на пористых заполнителях широко применяется в гражданском строительстве. Малая объемная масса делает особенно целесообразным применение его при строительстве инженерных сооружений.

К ячеистым бетонам относятся газобетон и пенобетон. Тепловлажностная обработка изделий из ячеистого бетона производится в автоклавах при температуре 170—200° С и давлении пара 0,8—1,2 МПа. Прочность ячеистого бетона достигает 15 МПа.

Обычный бетон при длительном воздействии высоких температур разрушается вследствие обезвоживания цементного камня, различия температурных деформаций цементного камня и заполнителей и других причин. В связи с этим обычный бетон допускается для применения в конструкциях, подвергающихся длительному воздействию температуры не свыше 50° С.

Для конструкций, работающих при более высоких температурах, применяют жаростойкий бетон, приготовляемый на термически стойких заполнителях с малым коэффициентом температурного расширения (шамот, металлургические шлаки, хромит и др.) и глиноземистом цементе или на портландцементе с тонкомолотыми добавками (шамот, кварц, вулканические породы и др.), или же на жидком стекле с кремнефтористым натрием и тонкомолотой добавкой. Такие бетоны способны выдержать длительное действие температуры до 1200° С.

Жаростойкий бетон применяют в фундаментах доменных печей, при футеровке мартеновских печей, в дымовых трубах и других сооружениях, подверженных действию высоких температур.

В последние голы в СССР и за рубежом в строительстве применяют армоиластбетонпые конструкции, изготовляемые из бетона на основе полимерных вяжущих (нолпнпнплацетат, поливинилхлорид и др.).

Такой бетон отличается высокой химической стойкостью и используется преимущественно в сооружениях, подвергающихся воздействию агрессивных сред (газы, масла, кислоты, щелочи и др.).

2. Прочность бетона. Структура бетона весьма неоднородна; она включает в себя пространственную решетку цементного камня, заполненную зернами песка и щебня и содержащую большое количество микропор и капилляров.

В сжатом бетонном образце напряжения концентрируются на более жестких частицах, поэтому по плоскостям соединения частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между ними. Одновременно около пор концентрируются напряжения — сжимающие и растягивающие. А так как в бетоне много пор, то растягивающие напряжения накладываются друг на друга. В результате бетон, плохо работающий на растяжение, разрушается вследствие разрыва в поперечном направлении.

Отсутствие закономерности в расположении частиц затвердевшего бетона, а также в расположении и размерах пор приводит к тому, что при испытании образцов из одного и того же бетона наблюдается разброс показателей его прочности.

Прочность бетона с течением времени возрастает, так как процесс твердения бетона происходит годами ( 1.1).

Чтобы исключить влияние фактора времени, испытания проводят в 28-дневном возрасте или же результаты приводят к 28-дневным умножением показателей прочности на поправочные коэффициенты, найденные с помощью сравнительных испытаний.

Прочность бетона зависит от формы и размера образцов. В СССР за нормальный образец принят бетонный куб со стороной 15 см; при уменьшении размеров кубов прочность возрастает, при увеличении падает, так как вероятность наличия дефектов при больших размерах увеличивается.

Для суждения о прочности бетона установлен единый показатель, выбираемый при проектировании конструкций и называемый проектной маркой бетона. Марки бетона установлены: по прочности на осевое сжатие (кубиковая прочность), по прочности на осевое растяжение, по морозостойкости, по водонепроницаемости.

Прочность при сжатии. Проектная марка бетона по прочности на сжатие (М) означает временное сопротивление R (кгс/см2, по ГОСТ) при сжатии бетонного куба с размером ребра 15 см, изготовленного из рабочего состава бетона и испытанного в возрасте 28 дней при твердении в нормальных условиях, т.е. при f=20±2°C (или других условиях по стандарту).

Для определения марки бетона в гидротехнических монолитных массивных сооружениях образцы испытывают в по «рас re 180 дней при твердении в нормальных условиях. Образцы бетона сборных изделий испытывают в сроки, установленные соответствующими стандартами н техническими условиями.

Главой СНиП Н-21-75 приняты следующие проектные марки бетона по прочности на осевое сжатие (М), или сокращенно проектные марки:

тяжелые бетоны —50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800 (марки 250, 350 и 450 применяют при специальном технико-экономическом обосновании);

бетоны на пористых заполнителях — 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400;

ячеистые бетоны — 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150.

Марку бетона выбирают в Зависимости от назначения конструкции и условий ее эксплуатации на основании технико-экономических расчетов.

Для железобетонных конструкций применение тяжелого бетона проектной марки ниже 100 и бетона на пористых заполнителях ниже 35 не допускается.

Для железобетонных сжатых элементов из тяжелого бетона и бетона на пористых заполнителях рекомендуется принимать марку бетона не ниже 200, а для тяжело нагруженных колонн (воспринимающих значительные крановые нагрузки в одноэтажных зданиях и для нижних этажей многоэтажных зданий) —не ниже 300.

Для предварительно-напряженных элементов из тяжелого бетона и бетона на пористых заполнителях проектная марка бетона принимается в зависимости от вида напрягаемой арматуры, но не ниже 200.

Проектные марки бетона по прочности на осевое растяжение (Р) приняты:

тяжелые бетоны —10, 15, 20, 25, 30, 35, 40; бетоны на пористых заполнителях—10, 15, 20, 25, 30. Для некоторых сооружений, например гидротехнических, проектная марка бетона по прочности на осевое растяжение является основной характеристикой прочности бетона.

Для оценки морозостойкости бетона установлены следующие проектные марки бетона по морозостойкости (Мрз):

тяжелые бетоны—50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500; бетоны на пористых заполнителях—25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500;

ячеистые бетоны —15, 25, 35, 50, 75, 100. В зависимости от водонепроницаемости (В) бетоны для гидротехнических сооружений делятся на шесть марок: 2, 4, 6, 8, 10, 12, означающих, что образец бетона выдерживает давление воды соответственно не менее 2, 4, 6, 8, 10, 12 кгс/см2, при котором еще не наблюдается просачивания воды через испытываемый образец.

Проектная марка бетона, или кубиковая прочность является условным показателем, поскольку из-за трения между опорными гранями образца и плитами пресса в образце возникает сложное напряженное состояние. Лучшее представление о прочности бетона при одноосном сжатии дают испытания призм с высотой, превышающей сторону основания в 3—4 раза, так как в средней их части влияние трения сказывается незначительно.

Прнзмепную прочность бетона используют при расчете II:II нбасмых и сжатых элементов конструкций (балок, колонн, сжатых элементов ферм, арок и т.д.).

Прочность при растяжении. Прочность бетона при осевом растяжении (#р) в 10—20 раз ниже, чем при сжатии. Причем с увеличением кубиковой прочности бе- топа относительная прочность бетона при растяжении снижается. Хотя при расчетах прочности конструкции чисто пренебрегают сопротивлением бетона растяжению. определение этой характеристики важно, так как с пределом прочности при растяжении связана трещино- стонкость конструкций.

Прочность бетонной балки, как отмечено выше, определяется сопротивлением бетона растяжению. Но, если по полученному из опытов разрушающему изгибающему моменту балки определить предел прочности на растяжение при изгибе по известной формуле сопротивления материалов то результат оказывается значительно больше предела прочности при центральном растяжении. Это объясняется тем, что перед разрушением распределение нормальных

напряжений по высоте сечения бетонной балки становится нелинейным. На  1.2 показана эпюра нормальных напряжений для балки из бетона низкой прочности; в сжатой зоне очертание эпюры напоминает параболу, в растянутой зоне вблизи нейтральной оси кривая также близка к иараболе, а ниже представляет собой прямую, почти параллельную плоскости сечения. Это доказывает значительную пластическую растяжимость бетона перед появлением трещин.

ЕСЛИ принять значение неупругих деформаций равным половине полных деформаций при растяжении, то отношение предела прочности на растяжение при изгибе по формуле сопротивления материалов к пределу прочности при центральном растяжении, называемое коэффициентом изгиба, для различных бетонов колеблется в широких пределах; в среднем (по Б. Г. Скрамтаеву) оно равно 1,7.

Прочность при срезе и скалывании. Экспериментальные исследования сопротивления бетона срезу осложняются обычно наличием изгибающих моментов, которых не удается избежать даже при самой тщательной поста

новке опыта. Наиболее распространенные схемы испытания на срез показаны на  1.3.

Существенное влияние при срезе оказывает сопротивление крупных зерен заполнителей, которые, попадая в плоскость среза, работают как своего рода шпонки. Меньшая прочность заполнителей в легких бетонах, например в керамзитобетонах тон же марки, приводит поэтому к понижению предела прочности срезу.

Значительно чаще в железобетонных конструкциях бетон работает на скалывание, вызываемое, например, действием поперечных сил при изгибе в наклонных сечениях вблизи опор. Скалывающие (касательные) напряжения при изгибе распределяются по высоте сечения по параболе; при постоянной ширине сечения скалывающие напряжения достигают наибольшего значения на уровне нейтрального слоя. Сопротивление бетона скалыванию в 1,5—2 раза выше, чем осевому растяжению.

. Для любых материалов, помимо длимых о прочности, необходимо иметь характеристики деформатнвпостн, с помощью которых можно было бы определять деформации, например прогибы. IJ железобетонных конструкциях вопросы деформатнвпостн приобретают особое значение. Бетон — это материал с ярко выраженными упругопластическими свойствами. Уже при незначительных напряжениях в бетоне рл.шпваются упругие и пластические деформации ( 1.4).

Деформации при однократной кратковременной нагрузке. Рассмотрим диаграмму сжатия бетона (см.  1.4). Деформации, измеренные в момент приложения нагрузки, являются упругими, т.е. пропорциональными напряжениям. На диаграмме получается прямая линия, проходящая под углом ао к оси е.

Отклонения от линейной зависимости определяются скоростью приложения нагрузки или продолжительностью опыта, маркой бетона и напряжением.

С увеличением прочности бетона неупругие деформации уменьшаются. При бетонах марки 500 и выше зависимость между деформациями и напряжениями получается почти линейной.

Диаграмма растяжения бетона зависит от тех же фактором, что п диаграмма сжатия. Однако неоднородность строения и наличие неизбежных эксцентрицитетов огоГк-нно сн и.но ска знаются при опытах иа растяжение н iipiiim in- к значительному рассеянию результатов, штому оценка неупругих деформаций при растяжении аатрулпепа.

Деформации при длительных нагрузках. При длительном действии нагрузок в бетонных и железобетонных элементах развиваются значительные пластические деформации.

Нарастание деформаций при длительных загружени- ях называется ползучестью. Ползучесть проявляется при постоянных напряжениях и при переменных.

Различают линейную и нелинейную ползучесть. Линейной называется ползучесть, при которой деформации нрнмерно пропорциональны напряжениям. Такие деформации наблюдаются при напряжениях, меньших границы появления микротрещин (по О. Я. Бергу).

Линейная ползучесть объясняется наличием в цементном камне гелевой составляющей, которая имеет вязкую природу (по И. И. Улицкому). Деформации зависят от времени действия нагрузки. Затухание деформаций линейной ползучести вызывается тем, что в процессе кристаллизации количество геля уменьшается, происходит перераспределение напряжений с гелевой составляющей на кристаллические образования цементного камня и заполнители. Практически деформации ползучести затухают через несколько лет вместе с окончанием нарастания прочности. Таким образом, ползучесть зависит от возраста бетона при его загружении: чем старее бетон, тем меньше геля в цементном камне и тем меньше конечная деформация.

Обширный экспериментальный материал, накопленный в результате исследований ползучести, дает возможность установить влияние различных факторов на длительное деформирование бетонов. Основное влияние на ползучесть оказывают размеры образца, нагрузка, вид цемента, водоцементное отношение, влажность среды, возраст бетона в момент нагружения, время нагружения ( 1.6).

При длительном на гружена и железобетонных конструкций между бетоном и арматурой происходит перераспределение внутренних усилий, и арматура значительно уменьшает пластические деформации бетона. При сжатии напряжения в бетоне уменьшаются, в арматуре увеличиваются. При растяжении, наоборот, напряжения в бетоне нарастают, а в арматуре уменьшаются.

Вследствие ползучести в бетоне происходит релаксация напряжений. Релаксацией называется уменьшение Напряжений с течением времени без изменения началь

ной деформации. Так, если бетонному образцу сообщить какое-то начальное напряжение и начальную деформацию, а затем устранить возможность дальнейшего изме-? нения деформаций, то с течением времени напряжение в бетоне постепенно уменьшится.

 Деформации при повторных нагрузках. При повторяющихся нагрузках деформационные свойства бетона изменяются. Если при первой загрузке кривая диаграммы о—е имеет выпуклость в сторону оси напряжений, а при разгрузке — в противоположную сторону ( 1.7), то при повторении циклов нагружения кривые постепенно выпрямляются, что свидетельствует об установлении пропорциональности между напряжениями и деформациями. Одновременно с этим происходит накопление всевозрастающих остаточных деформаций. Линии нагрузки и разгрузки образуют петлю гистерезиса, площадь которой представляет энергию, затраченную на преодоление внутреннего трения.

Если напряжения, вызываемые многократно повторяющейся нагрузкой, не превышают, например, половины призменной прочности, то такая нагрузка не вызывает разрушения бетона при практически бесконечном числе циклов. Однако при более высоких напряжениях кривая деформаций, выпрямленная на первом этапе многократ

ного загружения-разгружения, при дальнейшем загружении снова станет искривляться. Если при этом кривая деформаций станет искривляться к оси напряжений, значит наступила усталость бетона (характеризуемая нарастанием пластических деформаций с каждым циклом), которая приведет к разрушению бетона даже, если напряжения значительно ниже предела прочности при однократном нагружении.

Некоторые железобетонные конструкции (мосты, подкрановые балки, фундаменты под машины и т.п.) по своему назначению предназначены работать на многократно повторяющиеся нагрузки с числом циклов загру- жения, исчисляемым миллионами.

Деформации от усадки. При твердении в обычной воздушной среде бетон уменьшается в объеме, т. е. происходит его усадка; при твердении в воде бетон увеличивается в объеме, т.е. разбухает. По абсолютному значению усадка бетона значительно больше разбухания ( 1.8).

Усадка бетона интенсивно нарастает в течение первого года, а затем медленно затухает. Она зависит в основном от количества цементного теста в бетоне: увеличение количества цемента увеличивает усадку, причем наименьшей усадкой обладают портландцементы, наибольшей — глиноземистые цементы.

В реальных условиях усадка происходит неравномерно: поверхностные слои усваивают влагу много быстрее внутренних, отчего в поверхностных слоях возникают значительные растягивающие напряжения, которые могут привести к появлению усадочных трещин.

Усадка является причиной образования в бетоне так называемых «собственных» напряжений, которые понижают трещиностойкость и жесткость конструкций, а следовательно, водонепроницаемость и долговечность сооружений. В предварительно-напряженных конструкциях усадка бетона приводит к потерям предварительного напряжения.

Усадка (разбухание) зависит от вида цемента, состава бетона, способов укладки и ухода за бетоном, температурно-влажностных условий среды и др. и колеблется в широких пределах. В среднем усадка равна 0,3 мм/м, разбухание равно 0,1 мм/м.

Наиболее эффективные меры уменьшения усадки — увлажнение открытых поверхностей бетона, уменьшение содержания цемента, снижение водоцементного отношения, повышение плотности бетонов и уменьшение поверхности заполнителей.

Температурные деформации бетонов (так же, как и от усадки) являются объемными.

Коэффициент линейного расширения зависит от вида цемента, заполнителей, состава бетонной смеси, влажности бетона, размеров сечения элемента. Наибольшее влияние оказывает различие коэффициентов линейного расширения цементного камня и заполнителей.

Практически при температурах до 100° С разница в коэффициентах линейного расширения цементного камня н кшолннтелгй не создает существенных внутренних нанрижпшн и бетоне. Поэтому коэффициент линейного расширении при температурах от 0 до 100° С и нормальных услошшх эксплуатации принимается постоянным и рмпиым 0,00001 град-1.

При температурах выше 250—300° С объемные деформации цементного камня и заполнителей меняются. В то время как для гранита и песчаника при температуре около 500° С объемные деформации резко возрастают, для цементного камня деформации достигают максимума при температуре около 300° С, затем они уменьшаются, и при температуре около 500° С наблюдается сокращение объема. Поэтому при длительных воздействиях высоких температур (выше 200° С) обычные бетоны не применяют.

Внутренние напряжения можно уменьшить соответствующим подбором цемента и заполнителей. Для жаростойких бетонов применяют заполнители с малым коэффициентом линейного расширения: бой красного кирпича, доменные шлаки, диабазы и др. В качестве вяжущего применяют глиноземистый цемент или портландцемент с тонкомолотыми добавками из хромита, це- мянки или шамота.