Свойства бетона

Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие (сопротивление разрыву при сжатии), но значительно более низкую прочность на растяжение (сопротивление разрыву при растяжении). Прочность на сжатие обычно контролируется соотношением воды и цемента при формировании бетона, а прочность на растяжение увеличивается за счет добавок, обычно стали, для создания армированного бетона. Другими словами, можно сказать, что бетон состоит из песка (который является мелким заполнителем), балласта (который является крупным заполнителем), цемента (можно назвать связующим) и воды (которая является добавкой).

Железобетон

Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие , но значительно более низкую прочность на растяжение . В результате, без компенсации, бетон почти всегда будет разрушаться от растягивающих напряжений, даже при нагрузке на сжатие. Практическим следствием этого является то, что бетонные элементы, подвергающиеся растягивающим напряжениям, должны быть армированы материалами, которые прочны на растяжение (часто сталью). Эластичность бетона относительно постоянна при низких уровнях напряжения, но начинает уменьшаться при более высоких уровнях напряжения по мере развития растрескивания матрицы. Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , и по мере созревания бетон усаживается. Все бетонные конструкции будут трескаться в той или иной степени из-за усадки и растяжения. Бетон, подвергающийся длительным силам, склонен к ползучести . Плотность бетона варьируется, но составляет около 2400 килограммов на кубический метр (150 фунтов/куб. фут). [1]

Железобетон является наиболее распространенной формой 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 (снижая растягивающее напряжение ) с помощью внутренних стальных тросов (натяжителей), что позволяет использовать балки или плиты с более длинным пролетом , чем это практично с одним только железобетоном. Проверка существующих бетонных конструкций может быть неразрушающей, если проводится с помощью такого оборудования, как молоток Шмидта , который иногда используется для оценки относительной прочности бетона в полевых условиях. [ необходима цитата ]

Смешанный дизайн

Конечная прочность бетона зависит от соотношения вода-цемент (w/cm) , проектных компонентов и используемых методов смешивания, укладки и отверждения. При прочих равных условиях бетон с более низким соотношением вода-цемент (цемент) делает бетон более прочным, чем бетон с более высоким соотношением. [2] Общее количество цементных материалов ( портландцемент , шлаковый цемент , пуццоланы ) может влиять на прочность, водопотребность, усадку, стойкость к истиранию и плотность. Любой бетон будет трескаться независимо от того, имеет ли он достаточную прочность на сжатие. Фактически, смеси с высоким содержанием портландцемента могут фактически трескаться легче из-за повышенной скорости гидратации. Когда бетон переходит из своего пластичного состояния, гидратируясь в твердое, материал претерпевает усадку. Трещины пластической усадки могут возникнуть вскоре после укладки, но если скорость испарения высока, они часто могут фактически возникнуть во время отделочных работ, например, в жаркую погоду или в ветреный день.

В очень высокопрочных бетонных смесях (более 70 МПа) прочность на сжатие заполнителя может быть ограничивающим фактором для предельной прочности на сжатие. В тощих бетонах (с высоким водоцементным отношением) прочность на сжатие заполнителей не столь значительна. Внутренние силы в обычных формах конструкций, таких как арки , своды , колонны и стены, являются преимущественно сжимающими силами, а полы и тротуары подвергаются растягивающим силам. Прочность на сжатие широко используется для технических требований и контроля качества бетона. Инженеры знают свои целевые требования на растяжение (изгиб) и выражают их в терминах прочности на сжатие.

Wired.com сообщил 13 апреля 2007 года, что команда из Тегеранского университета , участвовавшая в конкурсе, спонсируемом Американским институтом бетона , продемонстрировала несколько блоков бетона с аномально высокой прочностью на сжатие от 340 до 410 МПа (49 000 и 59 000 фунтов на квадратный дюйм) в течение 28 дней. [3] Блоки, по-видимому, использовали 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 бетон сверхвысокой производительности, может быть еще прочнее, с прочностью до 800 МПа (116 000 фунтов на квадратный дюйм). [4] Они производятся путем полного исключения крупного заполнителя, тщательного контроля размера мелких заполнителей для обеспечения наилучшей возможной упаковки и включения стальных волокон (иногда получаемых путем измельчения стальной ваты) в матрицу. Реактивные порошковые бетоны могут также использовать кремнеземную пыль в качестве мелкого 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 трещин в матрице. Модуль упругости затвердевшей пасты может быть порядка 10-30 ГПа, а заполнителей — около 45-85 ГПа. Бетонный композит тогда находится в диапазоне от 30 до 50 ГПа.

Американский институт бетона позволяет рассчитывать модуль упругости с помощью следующего уравнения: [5]

Э с = 33 ж с 1.5 ф с ′ {\displaystyle E_{c}=33w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}} ( фунт на квадратный дюйм )

где

ж с = {\displaystyle w_{c}=} вес бетона (фунтов на кубический фут) и где 90 фунт футы 3 ≤ ж с ≤ 155 фунт футы 3 {\displaystyle 90{\frac {\textrm {фунт}}{{\textrm {фут}}^{3}}}\leq w_{c}\leq 155{\frac {\textrm {фунт}}{{\textrm {фут}}^{3}}}}
ф с ′ = {\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 выражено в единицах psi. Для бетона нормального веса (определяемого как бетон с w c 150 фунтов/фут 3 и вычитанием 5 фунтов/фут 3 для стали) E c допускается принимать как . 57000 ф с ′ {\displaystyle 57000{\sqrt {f'_{c}}}}

Публикация, используемая инженерами-строителями мостов, — это Руководство по расчету коэффициентов нагрузки и сопротивления AASHTO , или «LRFD». Согласно разделу 5.4.2.4 LRFD, E c определяется по формуле:

Э с = 33000 К 1 ж с 1.5 ф с ′ {\displaystyle E_{c}=33000K_{1}w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}} ( тыс . )

где

К 1 = {\displaystyle K_{1}=} поправочный коэффициент для совокупного источника (принимается за 1,0, если не определено иное)
ж с = {\displaystyle w_{c}=} вес бетона (тыс. фунтов на кубический фут), где и 0,090 кип футы 3 ≤ ж с ≤ 0,155 кип футы 3 {\displaystyle 0.090{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {ft}}^{3}}}\leq w_{c}\leq 0.155{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {ft}}^{3}}}} ф у ≤ 15.0 кип в 2 {\displaystyle f_{y}\leq 15.0{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {in}}^{2}}}}
ф с ′ = {\displaystyle f'_{c}=} заданная прочность бетона на сжатие в возрасте 28 дней (тыс.фунтов на кв.дюйм)

Для бетона нормального веса ( w c = 0,145 тысяч фунтов на кубический фут) E c можно принять следующим образом:

Э с = 1820 ф с ′ {\displaystyle E_{c}=1820{\sqrt {f'_{c}}}} ( тыс . )

Тепловые свойства

Расширение и усадка

Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения . Однако, если не предусмотреть расширение, могут возникнуть очень большие силы, вызывающие трещины в частях конструкции, не способных выдерживать 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/°C)(8-12 1/MK). [6]

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 «огнезащита» неуместен, поскольку высокотемпературные пожары могут быть достаточно горячими, чтобы вызвать химические изменения в бетоне, которые в экстремальных случаях могут вызвать значительные структурные повреждения бетона.

Трещины

Мост Сальгинатобель , Швейцария .

По мере созревания бетон продолжает усаживаться из-за продолжающейся реакции, происходящей в материале, хотя скорость усадки падает относительно быстро и продолжает уменьшаться с течением времени (для всех практических целей обычно считается, что бетон не усаживается из-за гидратации дальше после 30 лет). Относительная усадка и расширение бетона и кирпичной кладки требуют тщательного учета при взаимодействии двух форм конструкции.

Все бетонные конструкции в той или иной степени трескаются. Один из первых проектировщиков железобетона, Роберт Майлларт , использовал железобетон в ряде арочных мостов. Его первый мост был простым, с использованием большого объема бетона. Затем он понял, что большая часть бетона была сильно потрескавшейся и не могла быть частью конструкции при сжимающих нагрузках, однако конструкция явно работала. Его более поздние проекты просто удалили треснувшие области, оставив тонкие, красивые бетонные арки. Мост Салгинатобель является примером этого.

Трещины в бетоне из-за растягивающего напряжения, вызванного усадкой или напряжениями, возникающими во время установки или использования. Для преодоления этого используются различные средства. В фибробетоне используются тонкие волокна, распределенные по всей смеси, или более крупные металлические или другие элементы армирования, чтобы ограничить размер и протяженность трещин. Во многих крупных конструкциях в бетоне по мере его установки размещаются стыки или скрытые пропилы, чтобы неизбежные трещины возникали там, где их можно контролировать и не видно. Водяные резервуары и автомагистрали являются примерами конструкций, требующих контроля трещин.

Трещины при усадке

Усадочные трещины возникают, когда бетонные элементы подвергаются ограниченным объемным изменениям (усадке) в результате высыхания, аутогенной усадки или термического воздействия. Ограничение обеспечивается либо снаружи (т. е. опоры, стены и другие граничные условия), либо изнутри (дифференциальная усадка при высыхании, армирование). Как только прочность бетона на растяжение будет превышена, трещина будет развиваться. Количество и ширина образующихся усадочных трещин зависят от величины усадки, имеющейся величины ограничения, а также количества и расстояния между установленной арматурой. Это незначительные признаки, которые не оказывают реального структурного воздействия на бетонный элемент.

Трещины пластической усадки видны сразу, в течение 0-2 дней после укладки, в то время как трещины высыхания усадки развиваются с течением времени. Аутогенная усадка также происходит, когда бетон довольно молодой, и является результатом уменьшения объема в результате химической реакции портландцемента.

Растрескивание под действием напряжения

Бетонные элементы могут быть подвергнуты растяжению приложенными нагрузками. Это наиболее распространено в бетонных балках , где поперечно приложенная нагрузка приведет к сжатию одной поверхности и растяжению противоположной поверхности из-за вынужденного изгиба . Часть балки, которая находится в состоянии растяжения, может треснуть. Размер и длина трещин зависят от величины изгибающего момента и конструкции арматуры в балке в рассматриваемой точке. Железобетонные балки спроектированы так, чтобы трескаться при растяжении, а не при сжатии. Это достигается за счет использования арматурной стали, которая течет до того, как произойдет разрушение бетона при сжатии, и позволяет проводить восстановительные работы, ремонт или, при необходимости, эвакуацию из опасной зоны.

Слизняк

Ползучесть — это постоянное движение или деформация материала с целью снятия напряжений внутри материала. Бетон, подвергающийся длительным силам, склонен к ползучести. Кратковременные силы (такие как ветер или землетрясения) не вызывают ползучести. Ползучесть иногда может уменьшить количество трещин, которые возникают в бетонной конструкции или элементе, но ее также необходимо контролировать. Количество первичной и вторичной арматуры в бетонных конструкциях способствует уменьшению количества усадки, ползучести и трещин. [7]

Задержка воды

Бетон на основе портландцемента удерживает воду. [8] Однако некоторые виды бетона (например, водопроницаемый бетон ) пропускают воду, тем самым являясь идеальной альтернативой дорогам из щебня , поскольку их не нужно оборудовать ливневыми стоками . [9]

Тестирование бетона

Испытание бетонного цилиндра на сжатие
Тот же цилиндр после отказа

Инженеры обычно указывают требуемую прочность бетона на сжатие, которая обычно указывается как прочность на сжатие через 28 дней в мегапаскалях (МПа) или фунтах на квадратный дюйм (psi). Двадцать восемь дней — это долгое ожидание, чтобы определить, будут ли получены желаемые прочности, поэтому прочность за три и семь дней может быть полезна для прогнозирования окончательной прочности бетона на сжатие через 28 дней. Увеличение прочности на 25% между 7 и 28 днями часто наблюдается со смесями на 100% OPC (обычный портландцемент), а увеличение прочности на 25% и 40% может быть достигнуто при включении пуццоланов, таких как летучая зола, и дополнительных цементирующих материалов (SCM), таких как шлаковый цемент. Увеличение прочности зависит от типа смеси, ее компонентов, использования стандартного отверждения, надлежащего тестирования сертифицированными специалистами и ухода за баллонами при транспортировке. Для практических целей необходимо точно проверить основные свойства бетона в его свежем, пластичном состоянии.

Бетон, отвержденный в полевых условиях в стальных кубических формах (Греция)

Бетон обычно отбирается во время укладки, а протоколы испытаний требуют, чтобы образцы для испытаний были выдержаны в лабораторных условиях (стандартное выдержка). Дополнительные образцы могут быть выдержаны в полевых условиях (нестандартное) с целью ранней «распалубочной» прочности, то есть снятия формы, оценки выдержки и т. д., но стандартные выдержанные цилиндры включают критерии приемки. Испытания бетона могут измерять «пластичные» (негидратированные) свойства бетона до и во время укладки. Поскольку эти свойства влияют на прочность на сжатие затвердевшего бетона и долговечность (стойкость к замерзанию-оттаиванию), свойства удобоукладываемости (осадка/текучесть), температура, плотность и возраст контролируются для обеспечения производства и укладки «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 бетонного материала, доставленного и уложенного, крайне важно, чтобы специалисты по бетону, проводящие испытания бетона, были сертифицированы для этого в соответствии с этими стандартами. Проектирование конструкций , проектирование и свойства бетонных материалов часто определяются в соответствии с национальными/региональными нормами проектирования, такими как нормы Американского института бетона .

Испытания на прочность на сжатие проводятся сертифицированными специалистами с использованием гидравлического таранного пресса с измерительными приборами , который ежегодно калибруется с помощью приборов, прослеживаемых до Справочной лаборатории по цементу и бетону (CCRL) Национального института стандартов и технологий (NIST) в США или региональных эквивалентов на международном уровне. Стандартизированные форм-факторы — цилиндрические образцы размером 6" на 12" или 4" на 8", некоторые лаборатории предпочитают использовать кубические образцы. Эти образцы сжимаются до разрушения. Испытания на прочность на растяжение проводятся либо путем трехточечного изгиба призматического образца балки, либо путем сжатия вдоль сторон 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. [10]

Механические свойства при повышенной температуре

Температуры выше 300 °C (572 °F) ухудшают механические свойства бетона, включая прочность на сжатие, прочность на излом, прочность на растяжение и модуль упругости, что отрицательно влияет на его структурные изменения. [11]

Химические изменения

При повышенной температуре бетон теряет продукт гидратации из-за испарения воды. Поэтому его сопротивление потоку влаги бетона уменьшается, а количество негидратированных цементных зерен растет с потерей химически связанной воды, что приводит к снижению прочности на сжатие. [12] Кроме того, разложение гидроксида кальция в бетоне образует известь и воду. При понижении температуры известь реагирует с водой и расширяется, что приводит к снижению прочности. [13]

Физические изменения

При повышенных температурах внутри бетона образуются и распространяются небольшие трещины с повышением температуры, возможно, из-за дифференциальных коэффициентов термического расширения внутри цементной матрицы. Аналогично, когда вода испаряется из бетона, потеря воды препятствует расширению цементной матрицы за счет усадки. Более того, когда температура достигает 57,3 °C (135,1 °F), кремнистые заполнители трансформируются из α-фазы, гексагональной кристаллической системы, в β-фазу, структуру bcc, вызывая расширение бетона и снижение прочности материала. [14]

Отколы

Раскалывание при повышенной температуре выражено, вызвано давлением пара и термическими напряжениями. [15] Когда поверхность бетона подвергается воздействию достаточно высокой температуры, вода, близкая к поверхности, начинает выходить из бетона в атмосферу. Однако при высоком градиенте температуры между поверхностью и внутренней частью пар также может перемещаться внутрь, где он может конденсироваться при более низких температурах. Насыщенная водой внутренняя часть препятствует дальнейшему движению 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 раскалывание. В то же время тепловое расширение на поверхности будет создавать перпендикулярное сжимающее напряжение, противодействующее растягивающему напряжению внутри бетона. Раскалывание происходит, когда сжимающее напряжение превышает растягивающее напряжение. [16]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Джонс, Катрина (1999). «Плотность бетона». The Physics Factbook .
  2. ^ «Использование водоредуцирующих добавок, замедлителей и суперпластификаторов». www.engr.psu.edu . Получено 24 октября 2023 г. .
  3. ↑ Дэвид Хэмблинг (13 апреля 2007 г.). «Неуязвимые бункеры Ирана?». Wired . Получено 29 января 2008 г.
  4. ^ Гленн Вошер; Пол Фукс; Бенджамин Грейбил (2007). «Упругие свойства реактивного порошкового бетона». Deutsche Gesellschaft Fur Zerstorungsfreie Prufung EV
  5. ^ Комитет ACI 318 (2008). ACI 318-08: Требования к строительным нормам для конструкционного бетона и комментарии . Американский институт бетона . ISBN 978-0-87031-264-9.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  6. ^ "Тепловой коэффициент бетона на основе портландцемента". Исследования бетонных покрытий на основе портландцемента . Федеральное управление автомагистралей . Получено 29 января 2008 г.
  7. ^ «Ползучесть бетона» (PDF) .
  8. ^ "Вода, удерживаемая в бетоне". www.concrete.org.uk . Получено 21 октября 2023 г. .
  9. ^ "Как работает проницаемый бетон - Concrete Network". ConcreteNetwork.com . Получено 21 октября 2023 г. .
  10. ^ «Испытание бетона (стр. 5 документа)» (PDF) .
  11. ^ Цяньминь, Ма; Ронгсинь, Го; Чжимань, Чжао; Чживэй, Линь; Кечэн, Хэ (2015). «Механические свойства бетона при высокой температуре — обзор». Строительство и строительные материалы . 93 (2015): 371– 383. doi :10.1016/j.conbuildmat.2015.05.131.
  12. ^ М., Саад; Ю.А., Або-Эль-Энейн; ГБ, Ханна; МФ, Котката (1996). «Влияние температуры на физико-механические свойства бетона, содержащего микрокремнезем». Cem Concr Res . 26 ((5) (1996)): 669–675 . doi :10.1016/S0008-8846(96)85002-2.
  13. ^ Линь, Вэй-Мин; Линь, ТД; Л.Дж., Пауэрс-Куш ( 1996 ). «Микроструктуры бетона, поврежденного огнем». Materials Journal . 93 (3): 199–205 . Получено 5 марта 2020 г.
  14. ^ Li, XJ; Li, ZJ; Onofrei, M.; Ballivy, G.; Khayat, KH (1999). «Микроструктурные характеристики HPC при различных термомеханических и термогидравлических условиях». Materials and Structures . 32 (декабрь 1999 г.): 727– 733. doi :10.1007/BF02905069. S2CID  137194209.
  15. ^ Консолацио, GR; Маквей , MC; Риш III, JW (1998). «Измерение и прогнозирование поровых давлений в насыщенном цементном растворе, подвергнутом лучистому нагреву». ACI Mater J . 95 ((5) (1998)): 525–536 . Получено 5 марта 2020 г. .
  16. ^ Озава, М.; Учида, С.; Камада, Т.; Моримото, Х. (2012). «Изучение механизмов взрывного откола в высокопрочном бетоне при высоких температурах с использованием акустической эмиссии». Constr Build Mater . 37 (2012): 621– 628. doi :10.1016/j.conbuildmat.2012.06.070.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Свойства_бетона&oldid=1246159596"