Прочность бетона на сжатие

Основополагающей характеристикой бетона является его показатель прочности, который выражается в виде класса и марки.

Для выполнения необходимых задач в строительстве пользуются соответствующими классами. Так, для гидросооружений нужен один класс, а при бетонировании фундамента под одноэтажный дом – другой.

Марка бетона «М» выражает усреднённые значения прочности, единицы измерения – кгс/см 2 , класс бетона обозначается литерой «В» и выражается в МПа. Разница между этими двумя понятиями выражается не только в виде буквы и единицы измерения.

Главное отличие заключается в том, что марка указывает на среднюю величину предела прочности, а класс – на точные значения, расхождение составляет меньше 5%. Для сложных расчётов используют класс бетона, т. к. с применением марки возникает риск ошибки, при котором настоящие показатели окажутся меньше расчётных. Например, в характеристиках указывается М100 и В7,5. Расшифровывается это так: точное усилие, необходимое для разрушения, составит 7,5 МПа, а обобщенная нагрузка равна 100 кгс/см 2 , т. е. фактически эта цифра может быть и 105, и 103,6, и 93, и 97,2 и пр.

Класс и марка бетона по прочности на сжатие по ГОСТ

Таблица 1 – Сравнительная характеристика бетонов разных классов и марок

Документы, которые применяются при определении прочности

Требуемая прочность жёстко регулируется. Есть в наличии несколько основных документов для вычисления этой характеристики:

• ГОСТ 10180-2012 – применяется для образцов из готовой бетонной смеси;
• ГОСТ 28570-2019 – рассчитан для бетонных образцов;
• ГОСТ 22690-2015 – для крупных сооружений без создания проб-образцов.

Свойства строительных материалов

По сути, стройматериалы можно разделить на две основные категории: природного происхождения и искусственного. К первым можно отнести такие продукты как:

• Кирпич;
• Песок;
• Бетон;
• Дерево.

Классификация вторых значительно разнообразнее, так как сюда входят теплоизоляционные, гидроизоляционные, минеральные, полимерные, акустические и другие изделия. Проще говоря, искусственно созданные стройматериалы, в зависимости от нужды, приобретают наибольшую прочность, упругость, либо теплопроводность.

Ориентируясь на то, какое строится сооружение, мы подбираем соответствующий материал и начинаем строить. Для различной окружающей среды, необходимо подобрать свой определенный, обладающий защитными свойствами, строительный материал. Не отходя от темы, приведем пример: из простой тонкой фанеры или только из гипсокартона, строить дом не имеет никакого смысла. Для возведения прочного, надежного, противостоящего неблагоприятным климатическим условиям здания, инженерам-строителям необходимо учитывать еще одну очень важную особенность стройматериалов это:

• Физические свойства;
• Механические свойства;
• Химические свойства и др.

Попробуем кратко определить каждые из вышеперечисленных видов свойств. Химические свойства это нечто иное как: способность стройматериала к сопротивлению химическим воздействиям окружающей среды. Например, очень часто при использовании того или иного стройматериала, учитывается то как он переносит коррозию, или же насколько противостоит гниению, или же способность выдерживать воздействие влажности. Физические свойства материала это его плотность, пористость, теплопроводность.

Что касается механических свойств, то тут мы отметим: упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость, прочность, пределы прочности при сжатии, сдвиге, изгибе. Ну и последняя категория — технологические свойства: теплоустойчивость, скорость затвердевания и высыхания, плавление. Так как механические свойства стройматериалов наиболее важны при строительстве зданий, то соответственно их мы и рассмотрим поближе.

Прочность на изгиб в сравнении с пределом прочности при растяжении

Прочность на изгиб была бы такой же, как и на разрыв, если бы материал был однородным . Фактически, большинство материалов имеют небольшие или большие дефекты, которые действуют для локальной концентрации напряжений, эффективно вызывая локальную слабость. Когда материал изгибается, только крайние волокна подвергаются наибольшему напряжению, поэтому, если эти волокна не имеют дефектов, прочность на изгиб будет контролироваться прочностью этих неповрежденных «волокон». Однако, если один и тот же материал был подвергнут только растягивающим усилиям, тогда все волокна в материале испытывают одинаковое напряжение, и разрушение начнется, когда самое слабое волокно достигнет своего предельного напряжения растяжения. Следовательно, обычно прочность на изгиб выше, чем прочность на разрыв для того же материала. И наоборот, однородный материал с дефектами только на его поверхности (например, из-за царапин) может иметь более высокий предел прочности на разрыв, чем предел прочности на изгиб.

Если не принимать во внимание какие-либо дефекты, очевидно, что материал разрушится под действием изгибающей силы, которая меньше соответствующей растягивающей силы. Обе эти силы будут вызывать одно и то же напряжение разрушения, значение которого зависит от прочности материала.

Для прямоугольного образца результирующее напряжение под действием осевой силы определяется по следующей формуле:

Это напряжение не является истинным напряжением, поскольку поперечное сечение образца считается неизменным (инженерное напряжение).

• F осевая нагрузка (сила) в точке разрушения
• б ширина
• d это глубина или толщина материала

Результирующее напряжение для прямоугольного образца под нагрузкой в ​​установке для трехточечного изгиба (рис. 3) определяется формулой ниже (см. «Измерение прочности на изгиб»).

Уравнение этих двух напряжений (разрушения) дает:

Обычно L (длина пролета опоры) намного больше d, поэтому дробь больше единицы. 3 L 2 d < displaystyle < frac <3L><2d>>>

Предел пропорциональности (σ)

Максимальная величина напряжения для конкретного материала, при которой ещё действует закон Гука, т.е. деформация тела прямо пропорционально зависит от прикладываемой нагрузки (силы). Обратите внимание, что для множества материалов достижение (но не превышение!) предела упругости приводит к обратимым (упругим) деформациям, которые, впрочем, уже не прямо пропорциональны напряжениям. При этом такие деформации могут несколько «запаздывать» относительно роста или снижения нагрузки.

Диаграмма деформации металлического образца при растяжении в координатах удлинение (Є) — напряжение (σ).

Класс бетона

Класс бетона в МПа, обозначаемый буквой «В», отображает кубиковую прочность, определяемую в процессе сжатия образца. Он показывает максимально возможное давление (МПа), которое способен выдержать бетон с допуском вероятного разрушения не больше 5 единиц из 100 образцов, применяемых для проведения испытаний. Класс прочности определяется по итоговому результату в соответствии со СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции». Данный показатель указывается с вероятностью 95% конкретным значением, который может варьироваться в зависимости от качества материала от 0,5 до 120 мегапаскалей.

Если известен класс бетона и ближайшая к нему марка бетона, то поможет определить прочность бетона на сжатие таблица ГОСТ:

В зависимости от технических и эксплуатационных характеристик, классы бетона по прочности разделяют на несколько категорий:

• конструкционные – имеют прочность бетона В30 в Мпа, но не менее В12;
• конструкционно-теплоизоляционные от В5 до В10;
• теплоизоляционные – до В2;
• для возведения усиленных сооружений – от В45.

Сжатие хрупкого материала

Цилиндрический образец чугуна (h_o/d_o=1,5) после обмера устанавливается между плитами пресса и подвергается статическому нагружению. Диаграмма сжатия при этом будет иметь вид, показанный на рис. 2. Нетрудно заметить, что на диаграмме сжатия отсутствует прямолинейный участок. Разрушение происходит внезапно при нагрузке Р_mах с появлением ряда наклонных трещин, направленных примерно под углом 45° к оси образца. Такой характер разрушения объясняется действием касательных напряжений, возникающих в наклонных площадках при сжатии.

Рис.2 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов из чугуна

Таким образом, при сжатии хрупких материалов и при их растяжении можно определить лишь предел прочности

Различие между диаграммами сжатия и растяжения чугуна заключается лишь в том, что нагрузка, соответствующая пределу прочности при сжатии, в 3-5 раз превышает нагрузку, соответствующую пределу прочности при растяжении, и соответственно (σ_в)_с > (σ_в)_р, т.е. чугун лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению.

Характер деформации образца и причины его разрушения для хрупкого материала во многом зависят от влияния сил трения между образцом и опорными поверхностями машины. Путем периодической парафиновой смазки торцов образца в процессе испытания можно практически полностью устранить силы трения. При этом образец в течение всего испытания не принимает бочкообразную форму, остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости образца из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

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.

Формула для вычисления

Чтобы провести расчет прочности бетона на растяжение при изгибе применяют формулу: Rи = 0,1 • P • L / b • h2, где: L — расстояние между балками; Р — масса суммарной нагрузки и к ней добавляется вес бетона; h — высота и b — ширина балки по сечению. Обозначается сокращенно — Btb, и плюсуют число в диапазоне от 0,4 до 8. Прочность на растяжение высчитывают так: Rbt = 0,233 х R2. Показатели растяжения и изгиба существенно меньше, чем способность бетона выносить нагрузки.