Основной закон прочности бетона кратко

Обновлено: 05.07.2024

Закон прочности бетона устанавливает зависимость прочности от качества применяемых материалов и пористости бетона. Прочность вяжущего характеризуется его маркой (Rn), качество заполнителя коэффициентом А, а пористость косвенно определяется величиной водоцементного отношения В/Ц. Зависимость прочности от В/Ц является в сущности зависимостью прочности от объема пор, образованных водой, не вступающей в химическое взаимодействие с цементом.

Исследованиями И. Г. Малюги и Н. М. Беляева было установлено, что прочность плотно уложенного бетона прямо пропорциональна прочности цемента и обратно пропорциональна водоцементному отношению. Теория прочности бетона обоснована в трудах Б. Г. Скрамтаева и Н. А. Попова и получила развитие в работах И. Н. Ахвердова, Ю. М. Баженова, О. Я. Берга, И. А. Рыбьева и других советских ученых.

Кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (при постоянном расходе цемента и способе уплотнения), приведенная на рис. 65, характеризует физический смысл закона прочности.

Рис. 65. Общая кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (при определенном расходе цемента и способе уплотнения) : а — область недоуплотненных жестких бетонных смесей; б — то же, наибольшей прочности и плотности бетона; в — то же, подвижных бетонных смесей; г — то же, литых смесей оптимальное значение

Левая ветвь кривой принадлежит недоуплотненным бетонным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения. При возрастании количества воды затворения, т. е. В/Ц, эти смеси укладываются плотнее, и прочность бетона повышается. Наконец, при оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве воды бетон имеет наибольшую плотность и прочность, что соответствует максимуму на кривой прочности. Дальнейшее увеличение количества воды разжижает бетонную смесь, повышает ее подвижность. Однако добавляемая вода лишь частично связывается вяжущим и поэтому образует в бетоне водяные полости: объем пор в бетоне возрастает, а прочность бетона понижается соответственно правой ветви кривой. Таким образом, для каждой смеси имеется

количества воды, которое позволяет получить при данном способе уплотнения бетон слитного строения с минимальной пористостью, а следовательно, с наибольшей прочностью.

§ 1. Физический смысл закона прочности бетона
Copyright © "Строим Домик" 2007 — 2022

Книга: Строительные материалы и технологии

Бетон работает под нагрузкой как единый композиционный материал, и в формировании его прочности участвуют цементный камень (матрица), зерна заполнителя и контактный слой между ними. Иными словами, прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:
• прочностью затвердевшего цементного камня;
• прочностью его сцепления с заполнителем.

Прочность цементного камня зависит от двух факторов: активности (марки) используемого цемента (R) и соотношения количеств цемента и воды (Ц/В).

Чем выше марка це- мента, тем при прочих равных условиях будет прочнее цементный камень, так как марка цемента — это в действительности прочность модельного (мелкозернистого) бетона, отформованного и твердевшего в стандартных условиях (см. лабораторную работу № 7).

Зависимость прочности цементного камня от соотношения цемента и воды в бетонной смеси объясняется следующим. Цемент при твердении химически связывает не более 20. 25 % воды от своей массы. Но чтобы обеспечить необходимую пластичность цементного теста и, соответственно, подвижность бетонной смеси, необходимо брать 40. 80 % воды от массы цемента. Вода, кроме того, необходима для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя: большая удельная поверхность заполнителя требует большего расхода воды (см. § 10.2). Естественно, чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.

С другой стороны, если не обеспечить необходимую удобоуклады-ваемость бетонной смеси, соответствующую принятому в данном конкретном случае методу уплотнения, то из-за недоуплотнения в структуре бетона появятся крупные пустоты и участки с нарушенной связью “цементный камень — заполнитель”, что приведет к резкому снижению прочности бетона.

Экспериментально кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (В) при постоянном расходе цемента (Ц) (т. е. фактически от В/Ц) и при одинаковом методе уплотнения (рис. 12.5) подтверждает сказанное выше. Левая ветвь кривой отвечает недоуп-лотненным бетонным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения. При возрастании количества воды затворения до известного предела бетонная смесь укладывается плотнее, уменьшается объем пустот, а прочность бетона повышается. При оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве воды бетон имеет наибольшую прочность и плотность, что соответствует максимуму на кривой прочности.

Рис. 12.5. Кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (при неизменном расходе цемента и способе уплотнения):
1 — слишком жесткие недоуплотненные бетонные смеси; 2 — смеси с оптимальным количеством воды затворения (Вопт); 3 — подвижные смеси; 4 — литые бетонные

Rц:
1 – Rи = 60 МПа; 2 - Rц = 55 МПа;
3 - Rц = 50 МПа; 4 - Rц = 40 МПа

Дальнейшее увеличение количества воды разжижает бетонную смесь, повышает ее подвижность. Однако добавляемая вода лишь частично связывается цементом, а избыток ее образует в бетоне поры — и в результате прочность бетона понижается (правая ветвь кривой).

Для каждой бетонной смеси существует оптимальное количество воды, которое позволяет получить при данном способе уплотнения бетон с минимальной пористостью и наибольшей прочностью.

Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителя должна быть чистой и шероховатой. Например, бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии. В обобщенном виде этот показатель именуется коэффициентом качества заполнителей (А), а его численные значения приводятся ниже (см. лабораторную работу № 9).

Рис. 12.6. Фактическая зависимость прочности бетона R от цементно-водного отношения (Ц/В)

Рис. 12.7. Прочность бетона на сжатие R бкак функция Ц/В и марки цемента

Высказанные теоретические предпосылки были положены в основу экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от Ц/В, марки цемента и качества заполнителей (под прочностью здесь и далее подразумевается марочная прочность, т. е. прочность после 28 сут твердения в стандартных условиях). Полученные экспериментальные зависимости R = (Ц/В) представляют довольно сложную кривую, имеющую точку перегиба (рис. 12.6). С некоторым приближением эту кривую в реальном интервале Ц/В (от 1,4 до 3,3) можно аппроксимировать двумя прямыми, описываемыми уравнением вида 232

Приведенная формула предложена И. Боломеем и уточнена Б.Г. Скрамтаевым. Она выражает основной закон прочности бетона и используется для определения состава бетона по заданным параметрам.

Для обычных бетонов (марок ниже М500) в интервале Ц/В = =1,4. 2,5 формула Боломея — Скрамтаева имеет вид

а для высокопрочных бетонов при Ц/В = 2,5. 3,3

В графическом виде закон прочности бетона представлен на рис. 12.7. Эта зависимость справедлива лишь при условии обеспечения плотной укладки бетонной смеси. Использование этой формулы при расчете состава бетона дано в лабораторной работе № 9.

Одним из главных свойств материала называют прочность бетона при осевом сжатии, растяжении при изгибе затвердевшей смеси. Крепость при сжатии выделяют двух видов: призменную, а также кубиковую. Равным образом долговечность раствора характеризуется классом или маркой. Существует процесс по набору бетоном затвердения, он длится ровно 28 дней. Примерно через 7 суток состав обретает 70% своей окончательной крепости.

Что учитывать и от чего зависит?

Физико-механические свойства находятся под тесным воздействием бетонной структуры, зависящие от смешанности раствора и разнящиеся способами изготовления. А также крепость обусловливается следующими факторами:

Качество перемешивания будущего материала тоже влияет на данное его свойство.

интенсивность бетонно-цементного раствора;
содержимое компонентов в процентном количестве;
водоцементные пропорции в составе смеси;
промышленные характеристики;
свойства наполнителей;
уровень перемешивания ингредиентов состава;
часы, потраченные на приобретение раствором твердости;
температурные показатели в атмосфере;
сырость в окружающей среде.

Распределение по маркам и классам

Марка обозначается буквой М, а сопутствующая цифра возле нее определяет среднее примерное значение прочности при сжатии, выражается в кгс/см2. Таблица по показателям прочности:

Марка	Степень прочности, кгс/см2
100	98,2
150	158,6
200	197,4
250	261,90
300	307,40
350	337,42
400	392,8
450	459,29
500	522,77

Марка бетона полностью зависит от количественного соотношения цемента в составе раствора. При этом принято считать, что чем больше количество, тем выше марка и, в обратном порядке.

Грамотно вычислить количество ингредиентов материала можно с помощью специального калькулятора.
Определяют крепость еще и по цементным классам. Их разделяют для легких и тяжелых составов, а также по уровням крупности. Для расчета составов и пропорций применяют формулы, а для быстроты подсчета есть автоматические калькуляторы. Средняя прочность с коэффициентом крепости n = 0,136 и обеспеченностью t = 0,96 зависит от класса и формула для вычисления: Вb = Rb х0,778 или Rb = Вb / 0,778.
Характеристики цемента

Вид	Класс, В
Легкий	10, 12,5, 15, 30, 40
Тяжелый	10, 12,5, 15, 30, 40, 50, 55, 60
Мелкозернистый, крупность 1	30

Нормативные данные

Прочность бетона на растяжение при изгибе, на сжатие и др. определяется ГОСТом 10180—90. К основным контрольным характеристикам состава относят:

Нормативные данные сопротивления (Rbn) с вероятностью 95% и обеспеченностью 0,95 или растяжению (Rbtn).
Расчетное сопротивление бетона осевому сжатию (смятию). Имеет следующее соотношение, что для первой конечной характеристики обеспеченности Rb составляет — 0,997, а для второй граничное значение Rbser — 0,96.

Основной закон прочности бетона

Цемент при твердении химически связывает не более 20-25% воды от своей массы. Фактически же для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси берут 40-80% воды. Вода необходима также для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя. Свободная, химически не связанная вода образует в бетоне поры. Чем больше пор, тем ниже будет прочность бетона.

Исследованиями была установлена следующая зависимость:

Rб = ———- (формула Н.М.Беляева),

где: Rб — прочность бетона, Rц — марка (активность) цемента, В/Ц — водоцементное отношение, к и n — коэффициенты, зависящие от вида бетона и качества заполнителей (к=3,5 для щебня и 4 для гравия, n=1,5 для тяжелого бетона).

На практике при подборе состава бетона пользуются линейной зависимостью:

Rб = А Rц (Ц/В b) (формула И.Боломея-Б.Г.Скрамтаева),

где А — коэффициент, учитывающий качество заполнителей (0,65; 0,6 и 0,55), b — постоянный коэффициент (для Ц/В =1,4-2,5 b=-0,5, а для Ц/В=2,5-3,3 b=+0,5). Бетоны с высоким цементно-водным отношением относятся к высокопрочным бетонам.

При расчете состава бетона используют также:

— уравнение абсолютных объемов:

Ц/ ц+ В/ в+ П/ п+ К / к = 1000 дм3, где Ц, В, П, К — расходы на 1м3 бетона соответственно цемента, воды, песка и крупного заполнителя, кг; ц, в, п, к — истинная плотность зерен этих материалов, кг/дм3 и

— уравнение, показывающее, что в плотно уложенном бетоне пустоты между зернами крупного заполнителя должны быть заполнены цементно-песчаным раствором с учетом некоторой раздвижки зерен:

Ц/ ц+ В/ в+ П/ п= К / нк. aк .кразд , где нк – насыпная плотность крупного заполнителя, кг/дм3; aк – пустотность крупного заполнителя; кразд — коэффициент раздвижки зерен заполнителя.

Маркабетона по прочности — числовая характеристика, определяемая испытанием на одноосное сжатие стандартных образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава и испытанных в возрасте 28 сут. после твердения в нормальных условиях. (М100, М150 …. М800, кгс/см2 — для тяжелых бетонов).

Классбетона (В) — числовая характеристика, определяемая величиной гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Это значит, что заданная прочность достигается в 95 случаях из 100.

Стандарт устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие (МПа): В3,5; В5; В7,5; … В60. Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона — марке (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%) следует применять формулу:

Деформативные свойства. Под нагрузкой бетон ведет себя как упруго-вязко-пластичное тело. При небольших напряжениях бетон деформируется как упругий материал, а при больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация. Ползучесть

— способность бетона к увеличению деформаций под действием постоянной нагрузки какого-либо вида сжатия, растяжения, изгиба. Деформации ползучести затухают через несколько лет эксплуатации конструкции.

Усадка и набухание

связаны с физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Усадка у бетонов колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м в годичном возрастн; величина набухания значительно меньше.

Сцепление с арматурой для тяжелого бетона на портландцементе составляет примерно 15-20% предела прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут.

Водонепроницаемостьбетона зависит от проницаемости цементного камня, заполнителя и контактной зоны. Характеризуется маркой по водонепроницаемости (МПа): W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1,2.

Морозостойкость определяет долговечность бетона и зависит от качества использованных материалов и капиллярно-пористой структуры бетона. Марки по морозостойкости: F50, F75… F500.

Теплопроводность изменяется от 1,3-1,7 Вт/(м.0С) для тяжелых бетонов до 0,2-0,7 Вт/(м.0С) для легких бетонов.

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) тяжелого бетона (10-12).10-6 0С-1 близок к КЛТР стали, что обеспечивает совместимость термических деформаций бетона и арматуры.

Разновидности бетонов

Разновидности бетонов, наиболее часто применяемые в строительстве, приведены в табл.7.5.

Помимо приведенных в табл. 7.5, применяют также гидротехнические, химически стойкие, особо тяжелые и гидратные бетоны, а также цементнополимерные, декоративные и др. бетоны.

.Вопросы для самоконтроля к главе 7

1. Что такое бетон?

2. По каким признакам классифицируются бетоны?

3. Какие требования предъявляются к материалам для бетона?

4. Какие виды добавок применяются для регулирования свойств бетонной смеси и бетона?

5. Что такое удобоукладываемость бетонной смеси и как она оценивается?

6. Назовите и кратко охарактеризуйте основные технологические операции при производстве бетона.

7. От каких факторов зависит прочность бетона?

8. Чем отличаются марка бетона и класс прочности бетона?

9. Какие разновидности бетонов Вам известны? Приведите их характеристику и особенности применения.

Виды бетона

Как рассчитывать?

Для данного показателя важна и марка цемента, на основе которого производится материал.
Крепость обуславливается многочисленными факторами, но первоочередно зависит от цементной марки Rц и обстоятельств застывания. Учитывая, что качество заполнителей для бетона соответствует запросам, описанным в ГОСТ 10268–80, то прочность материала, зависимая от марки и В/Ц, выражается формулой: Rб = ARц (Ц/В — 0,5), где:

Rб — бетонная крепость за 28 сут., МПа;
А — показатель, зависящий от наполнителей и их качества;
Rц — марка;
Ц/В — соотношение цемента и воды в составе (цифра, противоположная В/Ц).

Динамика набора прочности тяжелого бетона: n = 100 * (lg (n) / lg (28)), где n — день, на который желательно определить крепость цемента (но не меньше 3 дней). При обстоятельствах застывания, отличающихся от обычных, особенно по температурным режимам, нужно знать, что уменьшение температуры способствует торможению твердения, а повышение — ускорению. При показателях 10 градусов по Цельсию, спустя 7 сут. цемент будет иметь крепость 40—50%, а при 5 °C — 31—34%. При отрицательных температурах бетоны без специальных добавок вовсе не крепнут.

Граничная высота сжатой зоны (абсолютная или относительная) — показатель (х) предельной прочности бетона, уже перед разрушением.

Прочность на сжатие и как ее определить

Методы испытания, которые позволяют определить предел прочности бетона:

Разрушающий. Проводится в специальных лабораториях и считается самым точным способом. На затвердевшие образцы воздействуют механическим способом до их разрушения.
Неразрушающий. Также, на затвердевшие образцы воздействуют различными методами, при этом основываются на несколько иные параметры.

а. Ударное воздействие (ударный импульс, упругий отскок, пластическая деформация).

Прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:

• прочностью затвердевшего цементного камня;

• прочностью его сцепления с заполнителем.

З-н прочности бетона устанавливает зав-ть прочности от кач применяемых мат и пористости бетона. Прочность вяж хар его маркой( Rц), кач зап-теля к-нтом А, а пористость косвенно опред велич водо-цем отн В/Ц. Зав-ть прочности от В/ц явл в сущности зав-тью прочности от объема пор, образов водой, не вступ в хим вз с цем.

Пористость бетона плотной ст-ры:

В, Ц расх воды и цем, w-кол-во хим связ воды

Рис. 66. Обобщенный график изменения прочности бетона: тяжелый бетон; б — легкий бетон (заполнитель — керамзит); Уц т — объемная концентрация цементного камня

Кривая объединяющая точки с оптимальными частными значениями В/Ц, выражает общую зависимость прочности бетона слитного строения от В/Ц. Она представляет гиперболу, отвечающую формуле Н. М. Беляева

Гиперболическую формулу прочности бетона можно преобразовать в более простую формулу

Рис. 67. Зависимость прочности тяжелого бетона от Ц/В при разных марках цемента

Скрамтаева — Боломея, если выразить Re в зависимости от цементноводного отношения. Зависимость прочности бетона от величины Ц/В в общем виде выражается довольно сложной кривой. Для практических целей эту кривую заменяют двумя прямыми и соответственно получают две формулы: для бетона с Ц/В =1,4 — 2,5 и высокопрочных бетонов с Ц/В> >2,5 (рис. 67).

Формулой прочности бетона можно пользоваться только применительно к плотно уложенным бетонам, которые изготовляют из портландцемента, воды и заполнителей, удовлетворяющих требованиям стандартов.

Для обычных бетонов с Ц/В=1,4 — 2,5 формула прочности принимает вид

При высококачественных заполнителях (щебень из плотных изверженных горных пород, крупный песок с минимальным содержанием вредных примесей) Л = 0,65; для рядовых заполнителей Л = 0,6; при применении заполнителей пониженного качества Л = 0,55.

Для высокопрочных бетонов, изготовляемых с Ц/В>2,5, применяется формула

В этой формуле для высококачественных заполнителей A = 0,43, для рядовых Л-= 0,4.

101. В чем сост физ смысл осн з-на прочности бетона?

Пористость бетона плотной ст-ры:

В, Ц расх воды и цем, w-кол-во хим связ воды

102. Что такое класс бетона по прочности? Как его определить?

Класс- числовая хар-ка какого-либо св бетона, примен с гарант обеспеченностью 0,95. Это значит, что устан классом св-во обесп не менее чем в 95 случаях их 100 и лишь в 5-ти можно ожидать его не вып.

· класс бетона B 7.5, B 10, B 12.5, B 15, B 20, B 22.5, B 25, B 30, B 35, B 40 Полный диапазон классов от В 3.5 до B 80. Основной диапазон B7.5-B40.

Rn- прочн бетона в возр n суток

n-число дней твердения

103, В чем сост причины неоднородности прочности бетона?

Основными причинами неоднородности бетонной или растворной смеси являются изменчивость активности цемента и загрязненность заполнителей. Седиментация бетонной смеси является причиной неоднородности бетона по плотности, прочности и деформативности как по высоте поперечного сечения, так и по длине элементов. На изменчивость механических характеристик бетона ощутимое влияние оказывают условия его твердения, предварительные напряжения и другие факторы. Изменчивость характеристик растянутого бетона больше, чем сжатого, примерно в 1,5 раза.

104. Как опред прочность бетона на сжатие по базовому методу?

При испытании бетона на сжатие образцы изгот в виде кубов и цилиндров диаметром 70, 100, 150, 200, 300,мм высота должна быть в 2раза больше.

Формы для образцов изгот из стали или др плотных мат с низким водопоглощ, малой деформативностью. Образцы, отформованные из бетонной смеси, испыт через 28суток после изгот. Включив пресс, образец нагружают непрерывно и равномерно со ск-тью 0,6+-0,2МПа в секудну до разруш образца. Предел прочности при сжатии выч по ф-ле:

Rсж=Fразр/S

105. Как опред прочность бетона на растяжение раскалыванием?

Испыт такие же кубы, как и при испыт на сжатие. При нагружении образец раскал от поперечных растяг деф, поэтому усилие раскалывания- косвенная хар-ка прочности бетона при растяж. Предел прочности Rрр( на растяж при раскал:

Читайте также: