Модуль (коэффициент) упругости бетона
Модуль (коэффициент) упругости бетона
Главной характеристикой, определяющей прочность бетона, является коэффициент его упругости. Он важен для профессиональных проектировщиков, которые проводят расчеты нагрузочных способностей бетонных конструкций.
Железобетонные строительные конструкции постоянно испытывают большие нагрузки. Это необходимо учитывать еще на этапе их планирования. Поэтому технологами была разработана система придания бетону способности упруго деформироваться под воздействием таких факторов, как давление и сила. Величина, характеризующая данный показатель, получила название модуль упругости бетона.
Модуль упругости бетона — это коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и соответствующей ему относительной продольной упругомгновенной деформацией при σ1=0,3Rпр при осевом сжатии образцов. (ГОСТ 24452-80 Бетоны, Rпр — призменная прочность бетона)
Значение начального модуля упругости тяжелого бетона при сжатии и растяжении приведено в СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.
Понятие модуля упругости
Все твердые тела при возрастании нагрузки подвержены деформациям. Причем сначала изменения носят обратимый характер, а их зависимость от приложенных усилий — линейная.
Тело восстанавливает размеры и форму после прекращения внешнего воздействия. Здесь применяется закон Гука, где абсолютное сжатие или удлинение прямо пропорционально приложенной силе с коэффициентом пропорциональности, равным модулю упругости.
С ростом нагрузки тело вступает в фазу необратимых изменений, где деформации носят неупругий пластичный характер. В этой зоне удлинение или сжатие образцов при испытаниях происходят без значительного увеличения внешней силы.
В дальнейшем бетонный образец реагирует на усилия нелинейно — деформации растут без увеличения нагрузки. Это — зона ползучести. Связи внутри материала разрушаются, конструкция теряет прочность.
Click here to preview your posts with PRO themes ››
В рыхлых непрочных смесях присутствует стадия псевдопластических деформаций, когда с уменьшением нагрузки изменения размеров нарастают. Появляются отслоения, трещины и другие деструкции тела бетона.
Последующее увеличение усилий растяжения или сжатия приводят к полному разрушению образца.
Линейная зависимость между напряжением и деформациями в фазе упругости выражается формулой:
где E — модуль упругости (Па);
εпред — относительная деформация, т.е. отношение абсолютного удлинения к начальному размеру (∆l/l0).
Модуль упругости определяют опытным путем. При испытаниях строят диаграмму зависимости деформаций от усилий, прикладываемых к образцу. Тангенс угла кривизны на участке упругих изменений размеров и есть искомая величина. Значения для разных классов и марок бетона занесены в таблицы.
Зная E и действующие усилия, рассчитывают упругие абсолютные деформации бетона в конструкции по формуле:
где σ — напряжение, равное отношению внешней силы к площади сжатой или растянутой зоны сечения (P/F).
Чем больше модуль упругости, тем меньшие деформации при нагрузках испытывает материал. Значения E варьируются от 19 до 40 МПа*10 -3 .
Способы определения модуля упругости бетона
Модуль упругости бетона определяется экспериментально на основании образцов бетона, подвергнувшихся проверке.
Зависимость модуля упругости цементного камня от предела прочности.
Данный показатель имеет обозначение в виде символа «Е». Также он известен своим вторым названием — «модуль Юнга». Специалисты делят модуль упругости на приведенный и начальный (Eb и Eb1). Следует отметить, что для простого обывателя сложные примеры расчетов, связанные с изучением рассматриваемого термина, и математические правила, применяемые для них, не смогут никак помочь на практике. Во всех особенностях и нюансах рассматриваемого понятия возможно разобраться лишь человеку, имеющему соответствующее образование.
Главный компонент стеклофибробетона, определяющий его уникальные свойства и исключительные эксплуатационные характеристики, — это стекловолокно, выполняющее функции арматуры в бетонной матрице. Между тем бетонные матрицы на основе портландцемента обладают значительной щёлочностью, которая присутствует в бетоне не только на этапе его производства, но и сохраняется в нём впоследствии. Когда стеклянные волокна применяют в качестве армирующего материала в сочетании с портландцементом, волокно должно противостоять воздействию содержащейся в цементе щёлочи в течение длительного времени. Волокно из обычного алюмоборосиликатного стекла не стойко в щёлочной среде бетона, поэтому для армирования используют стекло другого химического состава — на базе циркония [2] .
Click here to preview your posts with PRO themes ››
Сталефибробетон — строительный композиционный материал, представляющий собой бетон, армированный стальной фиброй. Сталефибробетон состоит из трёх компонентов: крупного заполнителя (щебень), стальных волокон (фибры) и связующего материала (раствора). Прочность сталефибробетона зависит от класса исходного бетона — матрицы, вида и размеров стальной фибры, характера её поверхности, геометрии и размера сечения элемента. Увеличение предела прочности при сжатии прямо пропорционально содержанию фибр и достигает 140—150 % при 2-3 % армирования. В общем случае предел трещиностойкости такого вида бетона возрастает от 30 до 80 % по сравнению с железобетоном, — при раскрытии трещин до 0,05 мм в 6-10 раз.
“Упругая” характеристика
Сцепление раствора швов с камнем: а) нормальное; б) касательное.
Для сравнения приведем показатели для одного вида кладки из самого тяжелого камня и всех видов кладки из кирпича:
Кладка из крупных тяжелобетонных блоков, где использованы тяжелые заполнители. Кладка из тяжелого природного камня. При марках раствора от 25 до 200 упругая характеристика подобной кладки составляет 1500. При марке раствора 10 характеристика составляет значение в 1000 единиц. Раствор марки 4 дает упругую характеристику в 750 единиц. Зависимость «прочность раствора – упругая характеристика» выглядит следующим образом: 0,2 – 750, 0 – 500.
Кладка из глиняного кирпича, произведенного путем пластического прессования. Этот кирпич может являться как пустотелым, так и полнотелым. Соотношение упругой характеристики и марки раствора для такой кладки выглядит следующим образом: 25-200 – 1000, 10 – 750, 4 – 500. Что касается соотношения прочности раствора и рассматриваемой величины, то оно таково: 0,2 – 300, 0 – 200.
Кладка из полнотелого и пустотелого силикатного кирпича. При использовании раствора марки 25-100 упругая характеристика будет составлять значение в 750 единиц, при марке 10 – 500, а при марке раствора 4 – 350. Влияние прочности раствора на рассматриваемый показатель определяется следующим соотношением 0,2 – 350, 0 – 200.
Click here to preview your posts with PRO themes ››
Разрушение: а) по неперевязанному сечению; б) по перевязанному сечению; сечение 1-1 – разрушение по швам кладки; сечение 2-2 – разрушение с разрывом кирпичей.
Кладка из глиняного кирпича, произведенного путем полусухого прессования. Этот кирпич может быть как полнотелым, так и пустотелым. Для марок раствора в 25-200 и 10 значение упругой характеристики будет одинаковым – 500. Для марки раствора 4 значение уменьшается до показателя в 350 единиц. Определение упругости при известной прочности раствора производится по такому же алгоритму, как и с описанным выше видом кладки.
Нужно сказать, что отмеченные тут особенности соотношения величин распространяются не только на кирпичные кладки, но и на виброкирпичные панели. Самой упругими считаются кладки из бутобетона. Для них упругая характеристика не рассчитывается, а принимается за постоянную. Она составляет 2000 единиц.
От чего зависит величина?
На величину данного показателя значительно влияет наполнитель в материала.
Упругость раствора зависит от множества факторов. Первое, на что обращают внимание — наполнитель. Коэффициент напрямую связан с упругостью раствора. Так, высокими показателями являются тяжелые бетоны, наполнителями в которых являются гравий и щебень. Допустимые нагрузки на постройки из такого материала самые высокие, поэтому важно выбирать правильные заполнители. Учитывают не только интенсивность нагрузок, но и частоту.
Возраст и время укладки материала играют немаловажную роль в показателях модуля упругости. Крепость материала возрастает на протяжении 50 лет с момента заливки, вне зависимости от внешних температур (до 230 ⁰C). Кроме того, характеристики завися от процесса затвердевания (автоклавный, естественный). Чтобы узнать продолжительность предполагаемых нагрузок, нужно начальный показатель перемножать с показателем: 0,7 для поризованных бетонов, 0,85 — для тяжелых легких и мелкозернистых.
Возраст залитого материала находится в прямопропорциональной зависимости с данным показателем.
Click here to preview your posts with PRO themes ››
Классы бетонного раствора в частной стройке варьируют в пределах В7,5—30 (марки М100—400), но таких прочностных и других характеристик хватает вне зависимости от требований и сложностей конструкций. Показатели модуля увеличивает арматура, так как характеристики арматуры повышают показатели общей конструкции. Методика укладки арматуры в бетон определяется ГОСТом 24452—80.
Заключение
Данная тема является весьма сложной и непростой. Однако при должном изучении никаких трудностей возникнуть не должно. Стоит заметить, что условия резки железобетонных изделий при помощи алмазных кругов во многом подвластны показателям упругости материала. То же самое можно сказать и об алмазном бурении изделий.
При разных показателях упругости увеличивается либо уменьшается сопротивляемость изделия. Хотя бы для облегчения такой работы стоит знать показатели упругости бетона.
