Свойства бетона - Википедия - Properties of concrete

Конкретный имеет относительно высокий прочность на сжатие (не трескается под весом), но значительно ниже предел прочности (при вытягивании трескается). Прочность на сжатие обычно регулируется соотношением воды к цементу при формировании бетона, а прочность на растяжение увеличивается за счет добавок, обычно стали, для создания армированного бетона. Другими словами, мы можем сказать, что бетон состоит из песка (который является мелким заполнителем), балласта (который является крупным заполнителем), цемента (может называться вяжущим) и воды (которая является добавкой).

Железобетон

Конкретный имеет относительно высокий прочность на сжатие, но значительно ниже предел прочности. В результате без компенсации бетон почти всегда разрушался от растягивающих напряжений (Стресс (механика) # Круг Мора ) даже при загрузке в сжатие. Практическое значение этого состоит в том, что бетонные элементы, подверженные растягивающим напряжениям, должны быть усилены 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 низкую коэффициент температурного расширения, и по мере созревания бетон дает усадку. Все бетонные конструкции в той или иной степени потрескаются из-за усадки и растяжения. Бетон, который подвергается длительным нагрузкам, склонен к слизняк. Плотность бетона варьируется, но составляет около 2400 килограммов на кубический метр (150 фунтов / куб футов).^[1]

Железобетон это самая распространенная форма бетона. Армирование часто бывает стальным. арматура (сетка, спираль, стержни и другие формы). Структурные волокна доступны из различных материалов. Бетон также можно предварительно напряженный (сокращение растягивающее напряжение ) с использованием внутренних стальных тросов (жил), с учетом балки или плиты с более длинным охватывать чем практично с одним только железобетоном. Осмотр существующих бетонных конструкций может быть неразрушающим, если он проводится с помощью такого оборудования, как Молоток Шмидта, который иногда используется для оценки относительной прочности бетона в полевых условиях.

Эффекты рецепта

На предел прочности бетона влияет водоцементное соотношение. (Вт / см), составные части конструкции, а также используемые методы смешивания, размещения и отверждения. При прочих равных условиях бетон с более низким водоцементным (вяжущим) соотношением делает бетон более прочным, чем бетон с более высоким соотношением. Общее количество вяжущих материалов (портландцемент, шлаковый цемент, пуццоланы ) может повлиять на прочность, водопотребность, усадку, сопротивление истиранию и плотность. Весь бетон будет трескаться независимо от того, обладает ли он достаточной прочностью на сжатие. Фактически, смеси с высоким содержанием портландцемента могут более легко растрескиваться из-за повышенной скорости гидратации. Когда бетон переходит из пластичного состояния, гидратируясь в твердое состояние, материал подвергается усадке. Трещины из-за пластической усадки могут появиться вскоре после укладки, но если скорость испарения высока, они часто действительно могут возникать во время отделочных операций, например, в жаркую погоду или ветреный день.

В очень высокопрочных бетонных смесях (более 70 МПа) прочность заполнителя на раздавливание может составлять ограничивающий фактор до предельной прочности на сжатие. В тощих бетонах (с высоким водоцементным соотношением) прочность заполнителей на раздавливание не столь значительна. Внутренние силы в обычных формах конструкции, таких как арки, своды, колонны и стены - преимущественно сжимающие силы, а перекрытия и тротуары - растягивающие. Прочность на сжатие широко используется для технических требований и контроля качества бетона. Инженеры знают свои целевые требования к растяжению (изгибу) и выражают их в терминах прочности на сжатие.

Wired.com сообщил 13 апреля 2007 г., что команда из Тегеранский университет, участвуя в конкурсе, спонсируемом Американский институт бетона, продемонстрировали несколько блоков из бетона с аномально высокой прочностью на сжатие от 340 до 410 МПа (49000 и 59000 фунтов на квадратный дюйм) через 28 дней.^[2] В блоках использовалась совокупность стали волокна и кварц - минерал 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 кв. Дюйм). Реактивный порошковый бетон, также известный как бетон со сверхвысокими характеристиками, может быть еще прочнее, с прочностью до 800 МПа (116 000 фунтов на квадратный дюйм).^[3] Их получают путем полного удаления крупных заполнителей, тщательного контроля размера мелких заполнителей для обеспечения наилучшего уплотнения и включения стальных волокон (иногда получаемых путем измельчения стальной ваты) в матрицу. Реактивные порошковые бетоны могут также использовать кремнеземный дым как мелкий заполнитель. 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 уменьшаться при более высоких уровнях напряжения по мере развития растрескивания матрицы. Модуль упругости затвердевшей пасты может составлять порядка 10-30 ГПа и в совокупности составляет примерно 45-85 ГПа. Бетонный композит тогда находится в диапазоне от 30 до 50 ГПа.

В Американский институт бетона позволяет рассчитать модуль упругости с использованием следующего уравнения:^[4]

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

куда

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

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

Это уравнение полностью эмпирическое и не основано на теории. Обратите внимание, что значение E_c найдено в фунтах на квадратный дюйм. Для бетона с нормальным весом (определяется как бетон с ш_c 150 фунтов / фут³ и вычитая 5 фунтов / фут³ для стали) E_c разрешено воспринимать как ${ displaystyle 57000 { sqrt {f '_ {c}}}}$.

Публикация, используемая инженерами по строительству мостов, - это ААШТО Руководство по проектированию коэффициентов нагрузки и сопротивления, или «LRFD». Из LRFD, раздел 5.4.2.4, E_c определяется:

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

куда

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

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

${ displaystyle f '_ {c} =}$ указанная прочность бетона на сжатие через 28 дней (тыс. фунтов на кв. дюйм)

Для бетона нормального веса (ш_c= 0,145 тысячи фунтов на кубический фут) E_c можно принять как:

${ displaystyle E_ {c} = 1820 { sqrt {f '_ {c}}}}$ (ksi )

Тепловые свойства

Расширение и усадка

Бетон имеет очень низкую коэффициент температурного расширения. Однако, если не предусмотрено расширение, могут возникнуть очень большие силы, вызывающие трещины в частях конструкции, не способных выдержать силу или повторяющиеся циклы расширение и сжатие. Коэффициент теплового расширения портландцементного бетона составляет от 0,000009 до 0,000012 (на градус Цельсия) (от 8 до 12 микродеформаций / ° C) (8-12 1 / МК).^[5]

Теплопроводность

Бетон умеренный 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 «огнестойкий» не подходит, поскольку высокотемпературные пожары могут быть достаточно горячими, чтобы вызвать химические изменения в бетоне, которые в крайних случаях могут вызвать значительные структурные повреждения бетона.

Растрескивание

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 требует тщательного согласования, когда две формы конструкции сопрягаются.

Все бетонные конструкции в той или иной степени потрескаются. Один из первых проектировщиков железобетона, Роберт Майярт, в ряде арочных мостов применен железобетон. Его первый мост был простым, с использованием большого объема бетона. Затем он понял, что большая часть бетона сильно потрескалась и не могла быть частью конструкции под сжимающими нагрузками, но конструкция явно работала. Его более поздние проекты просто удалили трещины, оставив стройные красивые бетонные арки. В Мост Салгинатобель является примером этого.

Бетонные трещины из-за растягивающего напряжения, вызванного усадкой или напряжениями, возникающими во время схватывания или использования. Для преодоления этого используются различные средства. Фибробетон использует тонкие волокна, распределенные по смеси или более крупные металл или другая арматура элементы для ограничения размера и протяженности трещин. Во многих крупных конструкциях стыки или скрытые пропилы размещаются в бетоне, поскольку он застывает, чтобы неизбежные трещины возникли там, где они могут быть устранены, и вне поля зрения. Резервуары для воды и шоссе - примеры конструкций, требующих защиты от трещин.

Растрескивание при усадке

Трещины в результате усадки возникают, когда бетонные элементы претерпевают ограниченные объемные изменения (усадку) в результате высыхания, автогенной усадки или тепловых эффектов. Ограничение обеспечивается либо снаружи (например, опоры, стены и другие граничные условия), либо внутри (дифференциальная усадка при высыхании, армирование). Как только предел прочности бетона будет превышен, появится трещина. На количество и ширину образовавшихся усадочных трещин влияет величина возникающей усадки, величина имеющегося ограничения, а также количество и шаг арматуры. Это второстепенные признаки и не оказывают реального структурного воздействия на бетонный элемент.

Трещины пластической усадки видны сразу же, они видны в течение 0–2 дней после укладки, в то время как трещины при высыхании и усадке развиваются со временем. Автогенная усадка также возникает, когда бетон довольно молодой, и является результатом уменьшения объема в результате химической реакции портландцемента.

Растрескивание

Бетонные элементы могут подвергаться растяжению под действием приложенных нагрузок. Это чаще всего встречается в бетоне. балки где поперечно приложенная нагрузка приведет к сжатию одной поверхности и растяжению противоположной поверхности из-за индуцированного изгиб. Часть балки, находящаяся в растяжении, может треснуть. Размер и длина трещин зависят от величины изгибающего момента и конструкции арматуры в балке в рассматриваемой точке. Железобетонные балки предназначены для растрескивания, а не сжатия. Это достигается за счет использования арматурной стали, которая поддается перед разрушением бетона при сжатии, и позволяет проводить ремонтные работы, ремонт или, при необходимости, эвакуацию из небезопасной зоны.

Слизняк

Слизняк постоянное движение или деформация материала для снятия напряжений внутри материала. Бетон, который подвергается длительным нагрузкам, склонен к ползучести. Кратковременные силы (такие как 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 усадки, ползучести и растрескивания.

Задержка воды

Бетон из портландцемента удерживает воду. Однако некоторые виды бетона (например, Проницаемый бетон ) позволяют воде проходить, тем самым являясь прекрасной альтернативой Макадам дороги, так как они не нуждаются в ливневые стоки.

Бетонные испытания

Испытание на сжатие бетонного баллона

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 (psi). Двадцать восемь дней - это долгое ожидание, чтобы определить, будет ли достигнута желаемая прочность, поэтому трех- и семидневные значения прочности могут быть полезны для прогнозирования конечной 28-дневной прочности бетона на сжатие. Прирост прочности на 25% в период от 7 до 28 дней часто наблюдается при использовании смесей на 100% OPC (обычный портландцемент), а увеличение прочности на 25-40% может быть достигнуто за счет включения пуццоланов, таких как зола, и дополнительных вяжущих материалов ( SCM), например, шлаковый цемент. Увеличение прочности зависит от типа смеси, ее составляющих, использования стандартного отверждения, надлежащего тестирования сертифицированными специалистами и ухода за баллонами при транспортировке. Для практических соображений необходимо точно проверить основные свойства бетона в его свежем пластичном состоянии.

Бетон обычно отбирают во время его укладки, протоколы испытаний требуют, чтобы образцы для испытаний были отверждены в лабораторных условиях (стандартное отверждение). Дополнительные образцы могут быть подвергнуты отверждению в полевых условиях (нестандартные) с целью ранней «зачистки» прочности, то есть снятия формы, оценки отверждения и т. Д., Но стандартные отвержденные цилиндры содержат критерии приемки. Бетонные испытания позволяют измерить «пластичные» (негидратированные) свойства бетона до и во время укладки. Поскольку эти свойства влияют на прочность затвердевшего бетона на сжатие и долговечность (сопротивление замораживанию-оттаиванию), отслеживаются свойства удобоукладываемости (осадки / текучесть), температуры, плотности и возраста, чтобы обеспечить производство и укладку «качественного» бетона. В зависимости от местоположения проекта испытания проводятся по ASTM International, Европейский комитет по стандартизации или же Канадская ассоциация стандартов. Поскольку измерение качества должно отражать потенциал поставленного и уложенного бетонного материала, необходимо, чтобы технические специалисты, выполняющие бетонные испытания, были сертифицированы в соответствии с этими стандартами. Структурный дизайн, конструкция и свойства бетонного материала часто указываются в соответствии с национальными / региональными нормами проектирования, такими как Американский институт бетона.

Прочность на сжатие испытания проводятся сертифицированными специалистами с использованием гидроцилиндр который ежегодно калибруется приборами, прослеживаемыми до Справочная лаборатория цемента и бетона (CCRL) Национальный институт стандартов и технологий (NIST) в США или региональные эквиваленты на международном уровне. Стандартными форм-факторами являются цилиндрические образцы размером 6 на 12 дюймов или 4 на 8 дюймов, при этом некоторые лаборатории предпочитают использовать кубические образцы. Эти образцы сжаты до отказа. Испытания на разрыв проводят либо путем трехточечного изгиба образца призматической балки, либо путем сжатия по сторонам стандартного цилиндрического образца. Эти разрушающие испытания не следует приравнивать к неразрушающий контроль используя отбойный молоток или системы датчиков, которые являются портативными индикаторами относительной прочности нескольких верхних миллиметров сравнительных бетонов в полевых условиях.

Механические свойства при повышенной температуре

Температуры выше 300 ° C (572 ° F) ухудшают механические свойства бетона, в том числе прочность на сжатие, прочность на излом, прочность на растяжение и модуль упругости, что отрицательно сказывается на его структурных изменениях.^[6]

Химические изменения

При повышенной температуре бетон теряет свой продукт гидратации из-за испарения воды. Следовательно, его сопротивление потоку влаги в бетоне уменьшается, а количество негидратированных цементных зерен увеличивается с потерей химически связанной воды, что приводит к снижению прочности на сжатие.^[7]. Кроме того, при разложении гидроксида кальция в бетоне образуется известь и вода. При понижении температуры известь вступает в реакцию с водой и расширяется, вызывая снижение прочности.^[8]

Физические изменения

При повышенных температурах небольшие трещины образуются и распространяются внутри бетона с повышенной температурой, возможно, из-за перепада тепловые коэффициенты расширения внутри цементной матрицы. Аналогичным образом, когда вода испаряется из бетона, потеря воды препятствует расширению цементной матрицы за счет усадки. Более того, когда температура достигает 573 ° C (1063 ° F), кремнеземистые агрегаты превращаются из α-фазы, гексагональной кристаллической системы, в β-фазу, структуру с ОЦК, вызывая расширение бетона и снижая прочность материала.^[9]

Скалывание

Выкрашивание при повышенной температуре заметно под действием давления пара и термических напряжений.^[10] Когда бетонная поверхность подвергается достаточно высокой температуре, вода вблизи поверхности начинает выходить из бетона в атмосферу. Однако из-за высокого температурного градиента между поверхностью и внутренним пространством пар может также попадать внутрь, где он может конденсироваться при более низких температурах. Водонасыщенный интерьер препятствует дальнейшему проникновению 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 будет создавать перпендикулярное сжимающее напряжение, противоположное растягивающему напряжению внутри бетона. Выкрашивание происходит, когда сжимающее напряжение превышает растягивающее.^[11]

Смотрите также

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

Рекомендации