Глава I физико-механические свойства бетона, стальной арматуры и железобетона

1. Структура бетона

Прочность и деформативность бетона в значительной степени зависят от его структуры. Как известно из курса строительных материалов, бетон является весьма неоднородным. Он представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность и присутствуют все три фазы - твёрдая, жидкая и газообразная. Структуру бетона можно представить в виде пространственной решётки из цементного камня, состоящего из геля и кристаллических сростков, заполненных зёрнами песка и щебня, пронизанной большим количеством микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.

Неоднородность и дефектность бетона носит случайный характер.

Поэтому механические свойства бетона целесообразно оценивать с точки зрения вероятностного подхода и описания его напряжённо-деформированного состояния.

В сжатом неоднородном теле нагрузка создаёт сложное напряжённое состояние. Напряжение концентрируется на более жёстких частицах. В этом случае происходит концентрация напряжений в местах, ослабленных пустотами и порами. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, возникают не только напряжения сжатия, но и напряжения растяжения, действующие по площадкам, параллельным сжимающей силе.

Растягивающие напряжения, суммируясь, достигают значительных величин, вызывая разрушение сжимаемого образца вследствие разрыва бетона в поперечном направлении.

1.2. Прочность бетона

1.2.1. Кубиковая прочность

Кубиковой прочностью бетона R называют временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении (Рис. 1.1.)

Силы трения, возникающие по опёртым граням, оказывают ощутимое влияние на кубиковую прочность вследствие того, что они препятствуют развитию свободных поперечных деформаций. Влияние сил трения по мере удаления от этих граней уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырёх усечённых пирамид. Если устранить влияние сил трения (например, смазкой контактных поверхностей), трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы и сопротивление куба значительно уменьшится.

Согласно стандарту, кубы испытывают без смазки поверхностей, вследствие чего их прочность зависит от размеров кубов. Так, если прочность куба с ребром 15 см принять за R, то кубы с ребром 10 см покажут прочность 1,12R, а с ребром 20 см — 0,93R.

Кубиковая прочность непосредственно в расчётах не используется, а служит только для контроля качества бетона.

1.2.2. Призменная прочность

Призменной прочностью R_b называют временное сопротивление сжатию бетонных призм. Она является основной расчётной характеристикой прочности бетона сжатых элементов. Призменная прочность меньше кубиковой. Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы (h) влияние сил трения на прочность уменьшается и при отношении h/а>4 оно практически становится равным нулю, а значение R_b становится постоянным и равным примерно 0,75 R (Рис. 1.1.).