Protože beton je heterogenní materiál, vnější zatížení v něm vytváří komplexní stav napětí. Ve vzorku betonu vystaveném tlaku se napětí soustředí na tužší částice, které mají velký modul pružnosti, v důsledku čehož podél rovin spojení těchto částic vznikají síly, které mají tendenci narušovat jejich spojení. Současně dochází ke koncentraci stresu v místech oslabených póry a dutinami. Z teorie pružnosti je známo, že kolem otvorů v materiálu vystaveném tlaku dochází ke koncentraci samovyvážených tahových a tlakových napětí působících podél oblastí rovnoběžných s tlakovou silou. Protože v betonu je mnoho pórů a dutin, tahová napětí v jednom otvoru nebo póru se překrývají se sousedními. V důsledku toho ve vzorku betonu vystaveném axiálnímu tlaku vznikají kromě podélných tlakových napětí také příčná tahová napětí (sekundární pole napětí).
K destrukci stlačitelného vzorku, jak ukazují experimenty, dochází v důsledku protržení betonu v příčném směru. Nejprve se v celém objemu objevují mikroskopické separační trhliny, které se s rostoucím zatížením spojují a vytvářejí viditelné trhliny rovnoběžné (nebo s mírným sklonem) se směrem tlakových sil, poté se trhliny otevírají, což je doprovázeno zdánlivým nárůstem v objemu a nakonec dochází k destrukci betonu. Z výsledků ultrazvukového měření lze určit hranici vzniku takových strukturních mikrodestrukcí vlivem zatížení. Rychlost šíření ultrazvukových vibrací v, směřující přes linie působení tlakových napětí, klesá s rozvojem mikrotrhlin v betonu. Začátek poklesu rychlosti ultrazvuku odpovídá tlakovému napětí v betonu RCRC (odolnost v tlaku), při které se začnou tvořit mikrotrhliny. Podle hodnoty napětí R°(rc posoudit pevnostní a deformační vlastnosti betonu.
Struktura betonu v důsledku heterogenity složení a rozdílu v metodách přípravy vede k tomu, že při zkoušení vzorků vyrobených ze stejné betonové směsi se získají nestejné indikátory pevnosti. Pevnost betonu závisí na řadě faktorů, z nichž hlavní jsou:
technologické faktory; věk a podmínky tvrdnutí; tvar a rozměry vzorku; typ stresového stavu a trvání expozice.
II-zóna tvorby mikrotrhlin; III-zóna tvorby makrotrhlin
9. Značky a třídy betonu
Při navrhování železobetonových konstrukcí jsou v závislosti na jejich typu a provozních podmínkách přiřazeny požadované vlastnosti betonu, nazývané třídy a třídy.
Třída betonu — jedna ze standardizovaných hodnot jednotné řady daného ukazatele kvality betonu, akceptovaná s garantovanou pravděpodobností 0,95.
Označit betonu – jedna ze standardizovaných hodnot jednotné řady daného ukazatele kvality betonu, braná podle jeho průměrné hodnoty s pravděpodobností spolehlivosti 0,5.
Pro betonové a železobetonové konstrukce by měly být poskytnuty následující třídy návrhu a třídy betonu:
) třídy betonu na základě osové pevnosti v tlaku těžké betonové na hustém kamenivu – B3,5; V 5; B7,5; V 10 HODIN; B12,5; B15; IN 20; B25; VZO; B35; B40; B45; B50; B55; B60; beton na porézní plniva – B2,5; B3,5; V 5; B7,5; V 10 HODIN; B12,5; B15; IN 20; B25; VZO; B35; B40; pórobeton – B1,5; B2,5; B3,5; V 5; B7,5; V 10 HODIN.
b) třídy betonu založené na osové pevnosti v tahu — Вt0,8; Btl,1,2; Bt1,6; Вt2; Bt2,4; Bt2,8; Bt3,2.
c) mrazuvzdorné druhy betonuodolnost — F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500;
d) třídy betonu pro odolnost proti vodě — W2, W4, W6, W8, W10, W12; d) třídy betonu podle hustoty: těžký beton — D2200; D2300; D2500; lehký beton — D800; D900; D1000; D1200; D1300; D1400; D1500; D1600; D1700; D1800; D1900; D2000; D2100; D2200.
Pro železobetonové konstrukce by měl být použit těžký beton třídy ne nižší než B10 a beton s porézním kamenivem ne nižší než B3,5.
Předpjaté konstrukce vyžadují pevnější beton. Výběr třídy betonu se provádí na základě technicko-ekonomického rozboru v závislosti na účelu konstrukce, typu a třídě předpínací výztuže a jejím průměru. Pro vyztužení z vysokopevnostních drátů a ocelových lan se používá beton tříd VZO, B40, někdy i B50 a pro prutovou výztuž – třídy B20, VZO. U předpjatých prvků z těžkého a lehkého betonu by měla být třída betonu, ve které se nachází předpjatá výztuž, brána v závislosti na: typu a třídě předpjaté výztuže, jejím průměru a přítomnosti kotevních zařízení.
Hlavní faktory ovlivňující pevnost betonu jsou:
– věk a podmínky tvrdnutí;
– tvar a rozměry vzorků;
– typ napjatosti (tlak, tah, ohyb, smyk);
– doba trvání zátěže atd.
Stáří a podmínky vytvrzování. Pevnost betonu se v čase zvyšuje, ale míra nárůstu pevnosti závisí na teplotních a vlhkostních podmínkách prostředí (obr. 6). Nejrychlejší nárůst síly je pozorován v počátečním období.
Rýže. 6. Zvyšování pevnosti betonu při skladování: 1 – ve vlhkém prostředí; 2 – v suchém prostředí
Časový nárůst pevnosti těžkého betonu na portlandském cementu za normálních podmínek tuhnutí lze určit podle vzorce B.G. Skramtaeva
Rt = 0,7R28lgt(2.1)
kde Rt – krychelná pevnost vyzrálého betonu t dny; R28 – stejně, ve věku 28 dní.
Zvýšení teploty a vlhkosti prostředí výrazně urychluje proces tvrdnutí betonu. Za tímto účelem jsou železobetonové výrobky v továrnách vystaveny HME při teplotě 80 . 90 С a vlhkosti 90 . 100 % nebo autoklávované při tlaku páry asi 0,8 MPa a teplotě 170 С. V druhém případě lze návrhovou pevnost betonu získat po 12 hodinách.
Při teplotách pod +5 С se tvrdnutí betonu výrazně zpomaluje a při teplotě betonové směsi -10 С se prakticky zastaví. Po rozmrazení betonové směsi se tvrdnutí betonu obnoví, ale jeho konečná pevnost bude vždy nižší než pevnost betonu ztvrdlého za normálních podmínek.
Axiální pevnost v tlaku. Beton v železobetonových konstrukcích se používá především k absorpci tlakových napětí. Proto je pro hlavní referenční charakteristiku pevnostních a deformačních vlastností betonu jeho axiální pevnost v tlaku. Všechny ostatní pevnostní a deformační charakteristiky závisí na pevnosti v tlaku a jsou určeny empirickými vzorci.
Pevnost v tlaku se zjišťuje v laboratorních podmínkách na vzorcích ve formě krychlí a hranolů. V souladu se současným GOST se testuje a určuje šarže vzorků Rm (průměrná krychlová pevnost šarže standardních kostek s hranou 150 mm) popř Rbm (průměrná prizmatická síla šarže standardních cen o velikosti 150150600 mm).
Kubická pevnost je pevnost v tahu v tlaku betonové krychle o hraně 150 mm ve stáří 28 dnů, skladované za standardních podmínek.
Je třeba říci, že kostky různých velikostí, vyrobené ze stejné betonové dávky, vykazují různou pevnost (nikoli mez pevnosti, ale krychlovou pevnost). R = Nu /А; Tady Nu – mez pevnosti podle měřítka zkušebního lisu, А je plocha čela krychle). Současně se zvětšováním velikosti krychle klesá síla:
velikost strany krychle, cm: 10 15 20
krychlová pevnost: 1,12 R R 0,93R
Zde jde o následující. Experimenty ukazují, že při axiálním stlačení se kostky (stejně jako jiné stlačené vzorky) rozruší v důsledku prasknutí betonu v příčném směru a získají tvar znázorněný na Obr. 7, a.
Rýže. 7. Povaha ničení betonových kostek:
a – v přítomnosti tření podél nosných rovin; b – při absenci tření;
1 – třecí síly; 2 – separační trhliny; 3 – mazání
Tato povaha destrukce (sklon oddělovacích trhlin) je způsobena vlivem třecích sil, které vznikají na styčných plochách mezi kovovými podložkami lisu a opěrnými plochami betonové kostky. Třecí síly směřují dovnitř a zabraňují volným příčným deformacím betonu v blízkosti nosných ploch a vytvářejí jakousi klec. Tím se zvyšuje pevnost betonu v tlaku. Se vzdáleností od opěrných ploch se klipový efekt zmenšuje, proto po destrukci získáme tvar ve formě dvou komolých jehlanů, složených z malých podstav.
Pokud se eliminuje tření (např. opěrné plochy jsou mazány parafínem, obr. 7, b), mění se charakter destrukce krychle a pevnost. Příčné deformace betonu již nejsou omezeny a separační trhliny se stávají vertikálními, rovnoběžnými s tlakovou silou a výrazně klesá pevnost. Podle GOST jsou kostky testovány bez mazání nosných ploch.
Vzhledem k tomu, že tvar skutečných konstrukcí se vždy liší od tvaru krychle, není ve výpočtech použita přímo krychlová pevnost, ale slouží pouze ke kontrole kvality betonu.
C r a s i s d r e n c e Rb – dočasná odolnost vůči osovému tlaku betonových hranolů související h/a = 4 (h je výška hranolu, a – velikost strany čtvercové základny). Experimenty ukázaly, že s rostoucí h/a hranolová pevnost Rb snižuje, zatímco h/a 4 se stává téměř stabilním (obr. a rovna 0,7…0,9R v závislosti na třídě betonu.
Rýže. 8. Graf závislosti pevnosti betonu v hranolu na poměru rozměrů vzorku
To je vysvětleno skutečností, že omezující účinek opěrných třecích sil podél konců hranolů působí pouze na oblast, jejíž rozměry jsou úměrné rozměrům zatížené plochy. Tedy v hranolech s výškou h 2a střední část je zbavena vlivu třecích sil. Právě v části hranolů, která je střední výšky, se před destrukcí objevují podélné trhliny (viz obr. 8), které se šíří nahoru a dolů k opěrným čelům. Výsledky zkoušek takovýchto vzorků zcela jasně ukazují, že při stlačení dochází k destrukci zkušebního tělesa porušením betonu v příčném směru.
Síla hranolu Rb je hlavní návrhová charakteristika pevnosti betonu v tlaku používaná při výpočtech železobetonových konstrukcí. Mezi hranolem a krychlovou pevností je přímo úměrný vztah typu
Rb = (0,77 – 0,001R)R 0,72 (2.2)
Pevnost v tlaku (lokální komprese). Lokální stlačení probíhá tam, kde je zatížena pouze část průřezu prvku (obr. 9).
Rýže. 9. Stanovení pevnosti betonu v místním tlaku:
1 – kužel toku výkonu (napětí); 2 – podmíněný obraz napětí Rb,loc
Při působení tlakové síly F příčné deformace betonu pod závalovou plošinou Aloc omezena „sponou“ vytvořenou betonem nezatížené části plochy A. V důsledku toho pevnost betonu Rb, loc pod tlakovou oblastí Aloc výrazně převyšuje prizmatickou pevnost Rb a je určen vzorcem
kde b = 0,8A / Aloc , ale ne více než 2,5 a ne méně než 1.
Kolaps v železobetonových konstrukcích se často vyskytuje pod nosníkovými podpěrami, na spojích sloupů vícepodlažních budov, pod kotvami předpjatých konstrukcí.
Axiální pevnost v tahu Pevnost betonu v tahu v axiálním tahu Rbt nízká a je 0,1 . 0,05 R. hodnota Rbt nastavit podle různých metod, například tahovou zkouškou vzorků podle schématu na Obr. 10, a. V tomto případě Rbt = Nu / Ab (2.4)
kde Nu – mez pevnosti; Ab je plocha průřezu vzorku.
Kvůli potížím při centrování vzorku je však velký rozptyl výsledků, takže experimentální hodnota Rbt častěji se určují nepřímými metodami – zkoušením betonových nosníků na ohyb (obr. 10, b) nebo štípacími válci (obr. 10, c).
Rýže. 10. Vzory pro zkoušky tahem:
1 – skutečné a 2 – návrhové rozložení napětí po výšce průřezu betonového nosníku
Pak pevnost v tahu Rbt nalézt:
při zkoušení ohybu betonových trámů
kde je zlomový moment; W = bh 2 /6 – “elastický” modul průřezu;
= 1,7 – koeficient zohledňující nepružné deformace betonu v tahové zóně;
při zkoušení štípání betonových válců
kde je průměr a délka válce.
orientační hodnotu Rbt lze určit podle vzorce
Pevnost betonu v případě smyku.
Čistým řezem se rozumí rozdělení prvku na části podél úseku, na který působí smykové síly. (obr. 11, a).
Čistým střihem se rozumí vzájemné posunutí (posun)části prvku mezi sebou působením smykových sil (obr. 11, b).
U železobetonových konstrukcí je čistý řez vzácný, bývá doprovázen působením normálových sil. V normách hodnota smykového odporu Rb, sh neudán, v případě potřeby lze určit podle vzorce . (2.8)
Mnohem častěji funguje beton v železobetonových konstrukcích na smyk, například když se trámy ohýbají, až se v nich objeví šikmé trhliny. Pevnost betonu v tahu ve smyku za ohybu podle experimentálních údajů je Rb, sh = (1,5…2,0) .
Rýže. 11. Schémata zkoušení vzorků betonu na smyk (a) a odštěpování (b):
1 – vzorek; 2 – pevné ocelové podpěry; 3 – pracovní armatury; 4 – štěrbiny (štěrbiny);
5 – oblasti, kde dochází k odštěpování betonu působením smykových napětí .
VLIV PEVNOSTI BETONU NA DLOUHÉ A VÍCE OPAKOVÁNÍ nebo n y x n a d Hranice dlouhodobé odolnosti betonu Rbl nazýváno největší statické namáhání, kterému vydrží neomezeně dlouho bez zničení.
Laboratorní zkoušky vzorků betonu probíhají poměrně rychle, zatímco reálné konstrukce jsou zatěžovány desítky let. Experimentální data ukázala, že statická napětí b Rb nezpůsobují destrukci vzorku betonu po jakoukoli dobu zatížení, protože Vývoj mikrodestrukcí, ke kterým v betonu dochází, se časem zastaví. Li b > 0,8Rb, pak v betonu vznikají výrazné nepružné deformace a dochází ke změně (narušení) konstrukce, která vede ke snížení její pevnosti. Pokles může dosáhnout 25 %, pokud se pevnost betonu během doby expozice při zatížení prakticky nezvýšila (nepříznivé teplotní a vlhkostní provozní podmínky). Pokud jsou tyto podmínky příznivé, pak úroveň statických napětí b / Rb postupně klesá a negativní vliv délky zatížení se nemusí projevit. Obecně se hranice dlouhodobé odolnosti betonu pohybuje v rozmezí
0,9Rb Rbl 0,75Rb. (2.9)
Pevnost betonu v tahu při opakovaném (pohyblivém nebo pulzujícím) zatížení se nazývá mez únosnosti Rbf – je napětí, při kterém je počet nakládacích a vykládacích cyklů alespoň 10 6 .
limit výdrže Rbf spojené se spodní hranicí tvorby mikrotrhlin (viz str. a závisí na koeficientu asymetrie cyklu zatížení-vyložení b = b,min / b,max (obr. 12, a), počet zatěžovacích a vykládacích cyklů n (obr. 12, b) a úrovně stresu b,max / Rb.
Rýže. 12. Závislost meze únosnosti betonu Rbf na koeficientu asymetrie cyklu b (A)
a na počtu cyklů n (b)
Pokud opakovaně opakované zatěžování způsobuje v betonu napětí nad hranicí mikrotrhliny, pak při velkém počtu cyklů (10 7 ) dochází k jeho destrukci.
Praktická mez výdrže se základním počtem cyklů 210 6 má nejmenší hodnotu Rbf = 0,5Rb.
Mez únosnosti betonu je nezbytná při výpočtu železobetonových jeřábových nosníků, pražců, prvků mostních konstrukcí.
