Железобетонные перекрытия

     Отсутствие  закономерности в расположении частиц, составляющих бетон, в расположении и крупности пор приводит к  тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той  же бетонной смеси, получают неодинаковые показатели прочности — разброс  прочности. Прочность бетона зависит  от ряда факторов, основньши из которых  являются: 1) технологические факторы, 2) возраст н условия твердения, 3) форма и размеры образца, 4) вид  напряженного состояния и длительные процессы. Бетон при разных напряжениях  — сжатии, растяжении и срезе  — имеет разное временное сопротивление.

     Классы  и марки бетона. В зависимости  от назначения железобетонных конструкций  и условий эксплуатации устанавливают  показатели качества бетона, основными  из которых являются:

     класс бетона по прочности на осевое сжатие В; указывается в проекте во всех случаях; класс бетона по прочности  на осевое растяжение назначается в  тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и  контролируется на производстве;

     марка бетона по морозостойкости должна назначаться  для конструкций, подвергающихся в  увлажненном состоянии действию попеременного замораживания и  оттаивания (открытые конструкции, ограждающие  конструкции и т. п.);

     марка по водонепроницаемости W; назначается  для конструкций, к которым предъявляют  требования непроницаемости (резервуары, напорные трубы и т. п.);

     марка по плотности D; назначается для конструкций, к которым кроме требований прочности  предъявляются требования теплоизоляции, и контролируется на производстве.

     Заданные  класс и марку бетона получают соответствующим подбором состава  бетонной смеси с последующим  испытанием контрольных образцов. Высокое  сопротивление бетона сжатию — наиболее ценное его свойство, широко используемое в железобетонных конструкциях. По этим соображениям основная характеристика — класс бетона по прочности на сжатие указывается во всех случаях.

     Классом бетона по прочности на осевое сжатие В (МПа) называется временное сопротивление  сжатию бетонных кубов с размером ребра 15 см, испытанных через 28 дней хранения при температуре 20±2°С по ГОСТу с  учетом статистической изменчивости прочности. Сроки твердения бетона устанавливают  так, чтобы требуемая прочность  бетона была достигнута к моменту  загружения конструкции проектной  нагрузкой. Для монолитных конструкций  на обычном портландцементе этот срок, как правило, принимается равным 28 дням. Для элементов сборных  конструкций заводского изготовления отпускная прочность бетона может  быть ниже его класса; она устанавливается  по стандартам и техническим условиям в зависимости от условий транспортирования, монтажа, сроков загружения конструкции  и др. Классы бетона по прочности  на сжатие для железобетонных конструкций  нормами устанавливаются следующие: для тяжелых бетонов В7,5; В10; В12,5; В15; В20; ВЗО; В35; В40; В45; В50; В55; В60; для  мелкозернистых бетонов вида А на песке с модулями крупности 2,1 и  более — в том же диапазоне  до В40 включительно; вида Б с модулем  крупности менее 1 — в том же диапазоне до ВЗО включительно; вида В, подвергнутого автоклавной обработке  — в том же диапазоне до В60 включительно; для легких бетонов  — в том же диапазоне до В40 включительно.

     Классы  бетона по прочности на осевое растяжение ВД8; В 1,2; В 1,6; В2; В2.4; В2,8; В,3,2 характеризуют  прочность бетона на осевое растяжение (МПа) по ГОСТу с учетом статистической изменчивости прочности.

     Марки бетона по морозостойкости от F25 до F500 характеризуют число выдерживаемых  циклов попеременного замораживания  и оттаивания в насыщенном водой  состоянии.

     Марки бетона по водонепроницаемости от W2 до W12 характеризуют предельное давление воды, при котором еще не наблюдается  просачивание ее через испытываемый образец.

     Марки бетона по плотности от D800 до D2400 характеризуют  среднюю плотность (кг/м3).

     Оптимальные класс и марку бетона выбирают на основании технико-экономических  соображений в зависимости от типа железобетонной конструкции, ее напряженного состояния, способа изготовления, условий  эксплуатации и др. Рекомендуется  принимать класс бетона для железобетонных сжатых стержневых элементов не ниже В15. Для конструкций, испытывающих значительные сжимающие усилия (колонн, арок и  т.п.), выгодны относительно высокие  классы бетона — В20—ВЗО; для предварительно напряженных конструкций в зависимости от вида напрягаемой арматуры целесообразны классы бетона В20—В40; для изгибаемых элементов без предварительного напряжения (плит, балок) применяют класс В15.

     Легкие  бетоны на пористых заполнителях и  цементном вяжущем при одинаковых классах и марках по морозостойкости  и водонепроницаемости применяют  в сборных и монолитных железобетонных конструкциях наравне с тяжелыми бетонами. Для многих конструкций  они весьма эффективны, так как  приводят к снижению массы.

     Влияние времени и условий твердения  на прочность бетона. Прочность бетона нарастает в течение длительного  времени, но наиболее интенсивный ее рост наблюдается в начальный  период твердения. Прочность бетона, приготовленного на портландцементе, интенсивно нарастает первые 28 суток, а на пуццолановом и шлаковом портландцементе  медленнее — первые 90 суток. Но и  в последующем при благоприятных  условиях твердения — положительной  температуре, влажной среде —  прочность бетона может нарастать  весьма продолжительное время, измеряемое годами. Объясняется это явление  длительным процессом окаменения цементного раствора — твердением геля и ростом кристаллов. По данным опытов, прочность  бетонных образцов, хранившихся в  течение 10 лет, нарастала в условиях влажной среды вдвое, а в условиях сухой среды — в 1,4 раза; в другом случае нарастание прочности прекратилось к концу первого года. Если бетон  остается сухим, как это часто  бывает при эксплуатации большинства  железобетонных конструкций, то по истечении  первого года дальнейшего нарастания прочности ожидать уже нельзя.

     Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и  влажности среды. С этой целью  железобетонные изделия на заводах  подвергают тепловой обработке при  температуре до 90 °С и влажности  до 100 % или же специальной автоклавной  обработке при высоком давлении пара и температуре порядка 170 °С. Эти способы позволяют за сутки  получить бетон прочностью ~70% проектной. Твердение бетона при отрицательной  температуре резко замедляется  или прекращается.

     Кубиковая прочность бетона при сжатии. При  осевом сжатии кубы разрушаются вследствие вазрыва бетона в поперечном направлении. Наклон трещин разрыва обусловлен силами трения, которые развиваются на контактных поверхностях — между подушками  пресса и гранями куба. Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным  поперечным деформациям куба и создают  эффект обоймы. Удерживающее влияние  сил трения по мере удаления от торцовых граней куба уменьшается, поэтому после  разрушения куб приобретает форму  усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба устранить влияние сил трения смазкой контактных поверхностей, поперечные деформации проявляются свободно, трещины  разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей  силы, а временное сопротивление  уменьшается примерно вдвое. Согласно стандарту, кубы испытывают без смазки контактных поверхностей.

     Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит  от размера куба: если временное  сопротивление сжатию бетона для  базового куба с ребром 15 см равно R, то для куба с ребром 20 см оио уменьшается  и равно приблизительно 0,93 R, а  для куба с ребром 10 см увеличивается  и равно ~1,1 R.

     Это объясняется изменением эффекта  обоймы с изменением размеров куба и расстояния между его торцами. Призменная прочность бетона при  сжатии. Железобетонные конструкции  по форме отличаются от кубов, поэтому  кубиковая прочность бетона не может  быть непосредственно использована в расчетах прочности элементов  конструкции. Основной характеристикой  прочности бетона сжатых элементов  является призменная прочность Rb —  временное сопротивление осевому  сжатию бетонных призм. Опыты на бетонных призмах с размером стороны основания  а и высотой h показали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой  и что она уменьшается с  увеличением отношения h/a.

     В качестве характеристики прочности  бетона сжатой зоны изгибаемых элементов  также принимают Rb, при этом вместо действительной криволинейной эпюры  напряжений бетона сжатой зоны в предельном состоянии принимают условную прямоугольную  эпюру напряжений.

     Прочность бетона при растяжении зависит от прочности цементного камня при  растяжении и сцепления его с  зернами заполнителей. Согласно опытным  данным, прочность бетона при растяжении в 10—20 раз меньше, чем при сжатии, причем относительная прочность  прн растяжении уменьшается с  увеличением класса бетона. В опытах наблюдается еще больший по сравнению  со сжатием разброс прочности. Повышение  прочности бетона при растяжении может быть достигнуто увеличением  расхода цемента, уменьшением W/C, применением  щебня с шероховатой поверхностью.

     Вследствие  неоднородности структуры бетона эта  формула не всегда дает правильные значения Rbt. Значение Rbt определяют испытаниями  на разрыв образцов в виде восьмерки, на раскалывание образцов в виде цилиндров, на изгиб — бетонных балок .

     Прочность бетоиа при срезе и скалывании. В чистом виде явление среза состоит  в разделении элемента на две части  по сечению, к которому приложены  перерезывающие силы. При этом сопротивление  срезу зерен крупных заполнителей, работающих как шпонки в плоскости  среза, оказывает существенное влияние. При срезе распределение напряжений по площади сечения считается  равномерным.

     В железобетонных конструкциях чистый срез встречается редко; обычно он сопровождается действием продольных сил. Сопротивление  бетона скалыванию возникает при  изгибе железобетонных балок до появления  в них наклонных трещин. Скалывающие  напряжения по высоте сечения изменяются по квадратной параболе. Временное  сопротивление скалыванию при изгибе, согласно опытным данным, в 1,5—2 раза больше.

     Прочность бетона при длительном действии нагрузки. Согласно опытным данным, при длительном действии нагрузки и высоких напряжениях  под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и структурных  изменений бетон разрушается  при напряжениях, меньших, чем временное  сопротивление осевому сжатию Rb. Если при эксплуатации конструкции в благоприятных для нарастания прочности бетона условиях уровень напряжений постепенно уменьшается, отрицательное влияние фактора длительного загружения может и не проявляться.

     Прочность бетона при многократно повторных  нагрузках. При действии многократно  повторных нагрузок с повторяемостью в несколько миллионов циклов временное сопротивление бетона сжатию под влиянием развития структурных  микротрещии уменьшается. Предел прочности  бетона при многократно повторных  нагрузках или предел выносливости бетона Rr, согласно опытным данным, зависит от числа циклов нагрузки и разгрузки и отношения попеременно  возникающих минимальных и максимальных напряжений или асимметрии цикла  р. На кривой выносливости по оси абсцисс  отложено число циклов п, а по оси  ординат — значение изменяющегося  периодически предела выносливости бетона Rr. С увеличением числа  циклов п снижается Rr; напряжение на горизонтальном участке кривой называют абсолютным пределом выносливости.

     Практический  предел выносливости Rr зависит от характеристики цикла р почти линейно, его  наименьшее значение Rr = 0,5 Rb.

     Наименьшее  значение предела выносливости, как  показывают исследования, связано с  границей образования структурных  микротрещин. Такая связь между Rr и Rcr позволяет находить предел выносливости по первичному нагружению образца определением границы образования структурных  микротрещин ультразвуковой аппаратурой.

     Значение Rr необходимо для расчета на выносливость железобетонных конструкций, испытывающих динамические нагрузки, — подкрановых  балок, перекрытий некоторых промышленных зданий и т. п.

     Динамическая  прочность бетона. При динамической нагрузке большой интенсивности, но малой продолжительности, развивающейся  вследствие ударных и взрывных воздействий, наблюдается увеличение временного сопротивления бетона — динамическая прочность. Чем меньше время от нагружения бетонного образца заданной динамической нагрузкой (или, что то же самое, чем  больше скорость роста напряжений МП а/с), тем больше коэффициент динамической прочности бетона.

     Этот  крэффициент равен отношению  динамического временного сопротивления  сжатию Rd к призменной прочности. Например, если время нагружения динамической разрушающей нагрузкой составляет 0,1, то коэффициент ka=l,2. Это явление  объясняют энергопоглощающей способностью бетона, работающего в течение  короткого промежутка нагружения динамической нагрузкой только упруго.