MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

3

BETON

Dr inż. Wojciech Słomka, Instytut Inżynierii Ochrony

Środowiska

Klasyfikacja betonów

Zależnie od rodzaju użytego kruszywa i technologii otrzymuje

się beton o różnej gęstości objętościowej.
Rozróżnia się betony:



lekkie,

o gęstości objętościowej 800 ÷ 2000 kg/m

3

,



zwykłe,

o gęstości objętościowej 2000 ÷ 2600 kg/m

3

,



ciężkie,

o gęstości objętościowej większej od 2600 kg/m

3

.

BETONY MOŻNA TEŻ KLASYFIKOWAĆ WEDŁUG INNYCH KRYTERIÓW

.



ze względu na funkcję spełnianą w obiekcie budowlanym

—
beton konstrukcyjny, konstrukcyjno-izolacyjny oraz
izolacyjny,



ze względu na zastosowanie

— beton drogowy, mostowy,

chemoodporny, architektoniczny (dekoracyjny),

Klasyfikacja betonów



ze względu na technologiczne warunki pracy

—

beton hydrotechniczny, żaroodporny,

kwasoodporny,

wodoszczelny, odporny na ścieranie itp.,



z uwagi na rodzaj kruszywa

— beton żwirowy,

żużlowy, keramzytowy itp.,



w zależności od sposobu zagęszczania

—

beton zagęszczany ręcznie, zagęszczany

mechanicznie (prasowany, wibrowany itp.),



w zależności od sposobu dojrzewania

—

betony dojrzewające w warunkach naturalnych,

obrabiane cieplnie (np. naparzane) itp.,



w zależności od miejsca wytworzenia

—

beton wytworzony na budowie i beton towarowy —

z wytwórni poza miejscem budowy.

Właściwości mechaniczne betonu

Podstawową właściwością mechaniczną

betonu jest jego

wytrzymałość na

ściskanie

.

Wytrzymałość betonu zależy od wielu

czynników, a przede wszystkim od:



uziarnienia i



jakości kruszywa,



ilości oraz jakości cementu i



ilości oraz jakości wody,



technologii produkcji mieszanki betonowej,



warunków dojrzewania betonu w konstrukcji i



wieku betonu.

Współczynnik w/c

Przy danej ilości cementu

tym większa jest

wytrzymałość betonu, im mniejsza jest

wartość w/c.

Ze względu na niezbędną ilość wody do

wiązania i twardnienia zaczynu cementowego

wskaźnik

w/c powinien wynosić około 0,2.

Jednak z uwagi na wymagania technologiczne

związane z formowaniem elementów konstrukcji

przyjmuje się na ogół

w/c ≈ 0,4÷0,6

.

Wytrzymałość na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie określa się na podstawie

badań pobranych próbek betonu.
Celem badań jest stwierdzenie, czy beton, z którego jest
wykonana dana konstrukcja, ma wytrzymałość
odpowiadającą przyjętej w projekcie.

Próbki do badań wytrzymałości betonu na ściskanie:
a) w kształcie sześcianu, b) walcowa

Schemat obciążenia próbki
w maszynie wytrzymałościowe

f

c, cube

f

c, cyl

Klasa betonu

Na podstawie wyników badań można ocenić beton pod

względem wytrzymałości na ściskanie, tzn. określić klasę

betonu.
Bierze się pod uwagę:

• w badaniach próbek sześciennych —

wytrzymałość gwarantowaną betonu f

Gc, cube

,

•w badaniach próbek walcowych —

wytrzymałość charakterystyczną betonu na ściskanie

f

ck

Zgodnie z PN-B-03264:2002 można przyjmować, że:

f

ck

= 0,8 f

Gc, cube

,

Klasę betonu zwykłego

w PN-B-03264:2002 opisuje się,

używając oznaczeń składających się z litery B i liczby, która
oznacza

wytrzymałość gwarantowaną

f

Gc, cube

,

określaną w megapaskalch (MPa) np.

B30

Klasa betonu

Szczegółowe zasady oceny betonu są podane w PN-EN 206-
1:2002.

W tej normie klasę wytrzymałości betonu na ściskanie
(klasę betonu) oznaczono literą C i dwiema liczbami, np.
C25/30.

Pierwsza z tych liczb oznacza

wytrzymałość charakterystyczną betonu na ściskanie

f

c,cyl

określoną na próbkach walcowych.

Druga cyfra oznacza

wytrzymałość gwarantowaną

betonu określoną na

próbkach sześciennych

f

Gc, cube

.

C

f

c,cyl

/

f

Gc, cube

Wytrzymałości betonu przyjmowane do

obliczeń

Projektując konstrukcję i elementy z betonu przyjmuje się, że zostaną one

wykonane z betonu określonej klasy wytrzymałości.
Zgodnie z PN-B-03264:2002 do wykonywania konstrukcji stosuje się beton
klas:

B15, B20, B25, B30, B37, B45, B50, B55, B60

.

W tabeli podano minimalne klasy betonu jakie mogą być stosowane w

poszczególnych rodzajach konstrukcji

RODZAJ KONSTRUKCJI

NAJNIŻSZA KLASA

BETONU

Konstrukcje betonowe

B15

Konstrukcje żełbetowe:

— zbrojone stalą klas A-0, A-I, A-II i A-

III

— zbrojone stalą klasy A-IIIN

B15

B20

Konstrukcje sprężone:

— kablobetonowe

B30

— strunobetonowe

B37

Konstrukcje żelbetowe poddane

obciążeniu

wielokrotnie zmiennemu

B30

Wytrzymałości i moduł sprężystości

betonu przyjmowane do obliczeń (wg

PN-B-03264:2002)

Klasa betonu B wg PN-B

-03264:2002

B15 B20 B25 B30 B37 B45 B50 B55 B60

Klasa betonu C wg PN-EN 206-

1:2002

C12/

/15

C16/

/20

C20/

/25

C25/

/30

C30/

/37

C35/
/45

C40/
/50

C45/

/55

C50/
/60

Wytrzymałość gwarantowana f

G

c

cube

, MPa

15

20

25

30

37 45

50

55 60

Wytrzymałość

charakterystyczna,

MPa

na ściskanie,

f

ck

12

16

20

25

30 35

40

45 50

na

rozciągani

e, f

ctk

1,1 1,3 1,5 1,8 2,0 2,2 2,5

2,7 2,9

Wytrzymałość średnia na

rozciąganie, MPa

1,6 1,9 2,2 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1

Wytrzymałość

obliczeniowa

w konstrukcjach

żelbetowych
i sprężonych, MPa

na ściskanie

f

cd

8,0 10,6 13,3 16,7 20,0 23,3 26,7 30,0 33,3

na

rozciągani
e f

ctd

0,73

0,87 1,00 1,20 1,33 1,47 1,67 1,80 1,93

Wytrzymałość

obliczeniowa w

konstrukcjach

betonowych, MPa

na ściskanie

f

cd

6,7

8,9

11,1 13,9 16,7 19,4 22,2 25,0 27,8

Moduł sprężystości E

cm

, GPa

27

29

30

31

32

34

35

36

37

WYTRZYMAŁOŚĆ BETONU

Wytrzymałość betonu zwiększa się wraz z jego wiekiem.
Zależy również od środowiska dojrzewania.
Przyrost wytrzymałości jest najszybszy w początkowym,
7-dniowym okresie twardnienia betonu.

WYTRZYMAŁOŚĆ BETONU

Sprawdzając nośność przekrojów zginanych, mimośrodowo ściskanych i
mimośrodowo rozciąganych można też przyjmować prostokątny wykres
naprężeń w strefie ściskanej betonu (zgodnie z PN-B-03264:2002),

gdzie:

x

ef

oznacza efektywną wysokość strefy ściskanej przekroju a

f

cd

oznacza wytrzymałość obliczeniową na ściskanie jak na rysunku

Odkształcenia i naprężenia (wykres
prostokątny)
w przekroju żelbetowego elementu
zginanego

Odkształcalność betonu

wykres naprężenie w funkcji odkształcenia

Element betonowy pod wpływem występujących naprężeń odkształca się.

Odkształcenia mogą być:

•

sprężyste

— jeśli po usunięciu naprężenia, zanikają całkowicie,

•

plastyczne

(zwane też trwałymi) — jeśli po odciążeniu nie zanikają

.

σ

,

M

P

a

f

ck

wytrzymałość charakterystyczna

betonu

Zależność współczynnika sprężystości betonu E

b

od wielkości naprężeń

1 — rozciąganie, 2 — ściskanie

Współczynnik sprężystości

betonu E

b

jest różny dla

różnych klas betonu oraz różnych naprężeń w
betonie

;

wraz ze wzrostem naprężeń, wywołanych zarówno
rozciąganiem jak i ściskaniem betonu, współczynnik
maleje,

E

b

jest

mniejszy przy rozciąganiu niż przy

ściskaniu

(wykres).

Wzrasta z wiekiem
betonu i
szczelnością
uziarnienia jego
kruszywa oraz ze
zmniejszeniem
wskaźnika w/c.

Odkształcenia reologiczne

Z upływem czasu występują reologiczne odkształcenia
betonu. Są one związane z takimi zjawiskami, jak

skurcz, pęcznienie, pełzanie, relaksacja

.

Pełzanie

jest to stopniowe zwiększanie się odkształceń

plastycznych betonu elementu mającego swobodę
odkształcania się, poddanego działaniu naprężeń
długotrwałych.

Jeżeli element nie ma swobody odkształceń (

ε

c

= const),

to pod działaniem naprężeń długotrwałych następuje z
upływem czasu pewne zmniejszenie wartości tych
naprężeń w betonie, określane jako jego

relaksacja

.

Pełzanie i relaksacja betonu

Pełzanie betonu powoduje z upływem czasu
niekorzystne zjawiska, np.:



zwiększanie ugięć elementów i konstrukcji,



przyrost szerokości rys,



zwiększenie strat sprężania w konstrukcjach sprężonych.

PEŁZANIE

Pełzanie zależy od takich czynników, jak:

•wartość naprężenia

(jest większe, gdy naprężenie

jest większe),

•wytrzymałość betonu

(jest większe w betonie o

mniejszej wytrzymałości),

•wiek betonu

w chwili obciążenia (jest mniejsze,

gdy obciążenie jest przekazywane na beton starszy),

•wilgotność środowiska

(jest mniejsze w

warunkach większej wilgotności),

•zawartość i rodzaj cementu

(jest mniejsze w

betonie wykonanym z zastosowaniem cementów

szybkosprawnych i glinowych),

•rodzaj oraz kształt ziarn kruszywa

,

•wymiary i kształt elementów

.

Współczynnik pełzania

Wartości współczynnika pełzania φ

p

w zależności od

wieku betonu i wilgotności środowiska

Odkształcenia reologiczne – SKURCZ I

PĘCZNIENIE

Beton twardniejący w wodzie

pęcznieje

, a więc zwiększa się

jego objętość.

Skurcz

jest to stopniowe zmniejszanie się objętości betonu.

Może on być przyczyną wystąpienia rys w konstrukcjach.

Skurcz jest wynikiem procesów chemicznych (chemicznego
wiązania wody w procesie hydratacji) i fizycznych
(związanych
z parowaniem wody do otoczenia), zachodzących w zaczynie
cementowym.

Skurcz powodowany reakcjami chemicznymi stanowi na ogół
25 - 50% wartości całkowitego skurczu zachodzącego po
dłuższym okresie przechowywania betonu w warunkach
naturalnych.

SKURCZ

Na przebieg i wartość skurczu całkowitego mają wpływ przede
wszystkim takie czynniki, jak:



jakość i ilość cementu

(ze zwiększeniem ilości cementu skurcz zwiększa

się),



właściwości i kształt ziaren kruszywa

,



wskaźnik wodno-cementowy

(beton o mniejszym w/c ma

skurcz mniejszy),



wilgotność środowiska

(im suchsze, tym większy skurcz),



wymiary i kształt elementów

,



sposób przygotowania i zagęszczania mieszanki

,



wiek betonu

.

SKURCZ

Wielkość skurczu betonu w czasie twardnienia
w stosunku do wartości całkowitej,



po 28 dniach

— ok. 50%,



po roku

— ok. 90%,



po 3 latach — 100%

Skurcz można zmniejszyć odpowiednio
pielęgnując świeży beton przez:



utrzymanie w stanie wilgotnym,



ochronę przed niekorzystnym wpływem

czynników atmosferycznych

Inne odkształcenia

Sposób obliczania odkształceń skurczowych
oraz odkształceń pełzania jest podany w

PN-B-

03264:2002.

Współczynnik odkształcenia poprzecznego

betonu ściskanego (współczynnik Poissona)
można przyjmować



c

= 0,2.

Beton odkształca się (rozszerza lub kurczy) pod
wpływem zmian temperatury.

Współczynnik liniowej rozszerzalności
termicznej

betonu, wyrażający stosunek

zmiany Δl długości próbki do jej długości l w
wyniku zmiany temperatury o 1°C, można
przyjmować 

t

= 0,00001/°C