|
|
Бетон для железобетонных
конструкций должен обладать необходимой прочностью, хорошим сцеплением с
арматурой, достаточной плотностью для защиты арматуры от коррозии. В
зависимости от назначения сооружения бетон должен также удовлетворять
требованиям морозостойкости, коррозионной стойкости при агрессивных воздействиях
среды, водонепроницаемости и др. Бетон классифицируют по следующим признакам:
по основному назначению: конструкционный, применяемый для несущих и
ограждающих конструкций, к которым предъявляют требования, характеризующие их
механические свойства; специальный, к которому предъявляются дополнительные
требования в соответствии с условиями эксплуатации, например, жаростойкие,
предназначенные для использования в конструкциях, эксплуатируемых при
длительном воздействии высоких температур (выше 200 °С); химически
кислотостойкие, используемые в условиях агрессивных сред;
радиационно-защитные — большой массы, применяемые для защиты от радиационных
излучений и др.;
по виду вяжущего: на основе цементных вяжущих,
известковых, шлаковых, специальных (органических и неорганических) и др.;
по виду заполнителей: на плотных заполнителях, применяемых
для тяжелого бетона; на пористых — для легкого бетона и на специальных,
удовлетворяющих дополнительным требованиям, например, для жаростойких,
химически стойких и др.;
по структуре — плотной структуры (все пространство между
зернами крупного и мелкого заполнителя заполнено затвердевшим вяжущим и
порами вовлеченного воздуха); поризованной, ячеистой и крупнопористой
структуры;
по условиям твердения: естественного твердения;
подвергнутый тепловлажностной обработке при атмосферном давлении;
подвергнутый автоклавной обработке.
В тех случаях, где отсутствует крупный заполнитель,
применяют мелкозернистый бетон плотной структуры (на цементном вяжущем и
мелком плотном заполнителе — песке). Несмотря на некоторый перерасход
цемента, такой бетон оказывается экономичнее по сравнению с тяжелым.
В последние годы распространение получают полимербетоны, в
которых к цементному вяжущему добавляют растворимые синтетические смолы и
бетонополимеры, представляющие собой обычные бетоны, пропитанные полимерами
или мономерами с их последующим отверждением. Эти бетоны обладают повышенной
прочностью, особенно на растяжение, и высокой химической стойкостью, однако
имеют пока относительно высокую стоимость, низкий модуль деформаций (у
полимербетонов) и неприменимы в сооружениях с повышенной температурой.
Для дорожных и аэродромных покрытий, полов промышленных
зданий и т. п. находят применение бетоны, дисперсно-армированные волокнами
(стальными, синтетическими и др.). Этот вид бетона, называемый фибробетоном,
обладает повышенной растяжимостью и сопротивляемостью ударным воздействиям.
Для бетонов, характеризуемых наиболее часто применяемыми
сочетаниями признаков, приняты следующие наименования: тяжелый, легкий,
ячеистый, силикатный.
Тяжелый бетон — это бетон плотной структуры на цементном
вяжущем и плотных крупных и мелких заполнителях; легкий бетон — на цементном
вяжущем, пористом крупном и пористом или плотном мелком заполнителе. В
качестве плотных заполнителей для тяжелого бетона применяют щебень из
дробленых горных пород и природный кварцевый песок. Пористые заполнители
могут быть естественные (пемза, ракушечник и др.) или искусственные
(керамзит, шлак и др.). Оба указанных вида бетона используют для несущих
конструкций зданий и сооружений.
Выбор бетона производят в зависимости от назначения
конструкции, условий эксплуатации, нагрузок и т. п.
Структура бетона оказывает существенное влияние на
прочность и деформативность бетона. При затворении водой смеси из
заполнителей и цемента начинается химическая реакция (гидратация) между водой
и цементом, в результате которой образуется гель — студнеобразная пористая
масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в химическую реакцию
частицами цемента и незначительными соединениями в виде кристаллов. При
перемешивании бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей,
постепенно твердеет, а кристаллы с течением времени соединяются в
кристаллические сростки, пронизывая все тело бетона и скрепляя зерна заполнителей.
Наиболее важным фактором, влияющим на прочность бетона при
постоянном его составе, является количество воды в бетонной смеси. Для
химической реакции схватывания и твердения цемента требуется воды примерно
0,15...0,20 от массы цемента. Однако для лучшей удобоукладываемости бетона
водоцементное отношение увеличивается до 0,40...0,60. Излишек воды,
постепенно испаряясь, образует в цементном камне многочисленные поры и
капилляры, заполненные водой и воздухом. Общий объем пор в цементном камне
(при обычных условиях твердения) составляет 25...40% от объема цементного
камня.
Таким образом, бетон обладает весьма сложной структурой,
представляющей собой пространственную решетку из цементиого камня,
заполненную зернами песка и щебня различной крупности и формы и насыщенную
большим числом капилляров, микро- и макропор, содержащих воду, пары и воздух
( 2.1). В таком сложном неоднородном теле нагрузка создает сложное
напряженное состояние. В бетонном образце, подвергнутом сжатию, напряжения
концентрируются на более жестких частицах, вследствие чего по поверхности их
соединения возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между ними. В то же
время в местах, ослабленных порами, происходит концентрация напряжений. При
этом в продольном направлении создаются сжимающие, а в поперечном —
растягивающие напряжения ( 2.2, а). Поскольку в бетоне содержится большое
количество пор, то напряжения у одного отверстия суммируются с напряжением у
рядом расположенного отверстия. В результате в бетонном образце, подвергнутом
осевому сжатию, возникают как продольные сжимающие, так и поперечные
растягивающие напряжения. Так как сопротивление бетона растяжению на порядок
ниже, чем сжимающие, они вызывают по всему объему бетона микротрещины отрыва,
которые с ростом нагрузки соединяются, образуя видимые трещины, параллельные
направлению действия сжимающих сил ( 2.2, б). Затем трещины раскрываются, что
сопровождается увеличением объема, и наступает разрушение образца.
Границу образования структурных микротрещин под действием
нагрузки можно определить по результатам ультразвуковых измерений (скорость
распространения ультразвуковых колеба
ний, направленных поперек линии действия сжимающих
напряжений, уменьшается с развитием микротрещин в бетоне).
Исследования показали, что существующие теории прочности к
бетону неприменимы. Суждения о прочности и деформатив- ности бетона
основываются на многочисленных экспериментах (проводимых в лабораторных и
натурных условиях), позволяющих получить усредненные данные, которые
используются в качестве исходных при проектировании железобетонных
конструкций.
|