WŁASNOŚCI FIZYCZNE BETON

PEŁZANIE BETONU

Pełzanie materiału charakteryzuje się tym, że przy stałych w czasie naprężeniach, odkształcenie materiału wraz z upływem czasu narasta

σ_c(t)=const; l − dlugosc preta

Tuż po przyłożeniu siły P ( naprężeń σ_c skrócenie Δ₀ wynosi:

$\mathbf{\Delta}_{\mathbf{0}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{c}}\mathbf{L}}{\mathbf{E}_{\mathbf{\text{cm}}}}$ $\mathbf{\sigma}_{\mathbf{c}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{P}}{\mathbf{A}_{\mathbf{c}}}$

Po czasie t $\mathbf{\Delta}_{\mathbf{(t)}}\mathbf{= \varphi(t,}\mathbf{t}_{\mathbf{0}}\mathbf{)}\frac{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{c}}\mathbf{L}}{\mathbf{1,05}\mathbf{E}_{\mathbf{\text{cm}}}}$

φ(t,t₀) > 1 jest współczynnikiem pełzania zależnym od czasu. Rośnie wraz z upływem czasu działania naprężenia σ_c.

Dla t =∞ osiąga wartość maksymalną φ(∞,t₀).

Całkowite skrócenie wynosi:

Δ_c,całk =$\mathbf{\Delta}_{\mathbf{0}}\mathbf{+}\mathbf{\Delta}_{\mathbf{(t)}}\mathbf{= \lbrack 1 + \ \varphi(}\mathbf{\infty}\mathbf{,}\mathbf{t}_{\mathbf{0}}\mathbf{)\rbrack}\frac{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{c}}\mathbf{L}}{\mathbf{E}_{\mathbf{\text{cm}}}}$

Podstawowe wzory wytrzymałościowe przy ściskaniu pręta

$\left( \mathbf{1} \right)\mathbf{;\sigma =}\frac{\mathbf{P}}{\mathbf{A}}\mathbf{\ ;\ \ \varepsilon =}\frac{\mathbf{\sigma}}{\mathbf{E}}\mathbf{\ ;\varepsilon =}\frac{\mathbf{}_{\mathbf{c}}}{\mathbf{L}}\mathbf{\text{\ \ }}$ podstawiając do (1) $\mathbf{\sigma = \varepsilon E =}\frac{\mathbf{}_{\mathbf{c}}}{\mathbf{L}}\mathbf{E}$ otrzymamy

$\frac{\mathbf{}_{\mathbf{c}}}{\mathbf{L}}\mathbf{E}\mathbf{=}\frac{\mathbf{P}}{\mathbf{A}}$ ; a stąd $\mathbf{}_{\mathbf{c}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\text{PL}}}{\mathbf{\text{EA}}}\mathbf{\text{\ \ lub\ }}\mathbf{}_{\mathbf{c}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\text{σL}}}{\mathbf{E}}\mathbf{=}$ εL

Δ₀ – skrócenie sprężyste, odwracalne tzn. po zdjęciu obciążenia skrócenie wraca do wartości zerowej

Δ_(t) – skrócenie niesprężyste, nieodwracalne, tzn. po zdjęciu obciążenia działającego przez długi czas t (np. 5 lat) skrócenie nie wróci do stanu wyjściowego. Część jego wartości pozostaje po zdjęciu obciążenia

A_c, L – pole powierzchni przekroju poprzecznego pręta, długość początkowa pręta

ε – odkształcenie [m/m]

E_cm – średni moduł sprężystości betonu

σ_c – naprężenie w przekroju pręta betonowego

Na przebieg i końcową wartość współczynnika pełzania wpływają m. in.:

• Rodzaj i skład betonu( klasa betonu, kruszywo, cement, stosunek ilości wody/ilości cementu w/c)

• Stan naprężenia σ_c

• Warunki środowiska (wilgotność, temperatura )

• Wiek betonu w chwili przyłożenia obciążenia

• Wymiary elementu

Pełzanie powoduje zmianę odkształceń a tym samym ugięć w raz z upływem czasu oraz przegrupowanie sił wewnętrznych w ustrojach statycznie niewyznaczalnych.

Ugięcie końcowe belki, przy projektowaniu której nie uwzględniono pełzania, może po np. 5 latach wykazać ugięcie 3 do 5 krotnie wyższe od ugięcia początkowego.

W konstrukcjach sprężonych pełzanie ma znaczenie zasadnicze przy projektowaniu konstrukcji sprężonych.

Współczynnik pełzania betonu  φ(∞, t₀) wyznacza się na podstawie tablic zamieszczonych w normie PN-EN 1992-1-1

Przykład obliczenia całkowitego skrócenia słupa po czasie t = ok. 50 – 70 lat (∞), w wyniku pełzania betonu

Dane: Beton C25/30; f_ck = 25 MPa;

Cement CEM 32,5R (N)

t₀ = 28 dni

P_k =0,90 MN;

$$\mathbf{\sigma}_{\mathbf{c}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{0,90}}{\mathbf{0,3*0,3}}\mathbf{= 10\ MPa\ }$$

φ(∞,t₀) =2,60

1. Odkształcenie sprężyste ε_c(t₀)

$\mathbf{E}_{\mathbf{\text{cm}}}\mathbf{= 31\ GPa;\ }\mathbf{\varepsilon}_{\mathbf{c}}\left( \mathbf{t}_{\mathbf{0}} \right)\mathbf{=}\frac{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{c}}}{\mathbf{E}_{\mathbf{\text{cm}}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{10}}{\mathbf{3,1*}\mathbf{10}^{\mathbf{4}}}\mathbf{= 3,22*}\mathbf{10}^{\mathbf{- 4}}$

Skrócenie słupa w chwili przyłożenia obciążenia P_k=0,9 MN

_c(t₀)=Hε_c(t₀)=8 * 3, 22*10⁻⁴=2, 58 mm

1. Odkształcenie od pełzania ε_c(∞,t₀) 

$${\mathbf{\varepsilon}_{\mathbf{c}}\mathbf{(}\mathbf{\infty,}\mathbf{t}_{\mathbf{0}}\mathbf{)}}_{\mathbf{\ }}\mathbf{= \varphi}\left( \mathbf{t,}\mathbf{t}_{\mathbf{0}} \right)\frac{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{c}}}{{\mathbf{1,05}\mathbf{E}}_{\mathbf{\text{cm}}}}\mathbf{= 2,6}\frac{\mathbf{10}}{\mathbf{1,05*3,1*}\mathbf{10}^{\mathbf{4}}}\mathbf{= 7,98}\mathbf{10}^{\mathbf{- 4}}$$

Skrocenie ∖ n_c(∞,t₀)=Hε_c(∞, t₀) =8 * 7, 98*10⁻⁴=6, 38 mm

1. Całkowite przemieszczenie głowicy słupa w czasie od momentu przyłożenia obciążenia (28 dni wiązania betonu) do końca planowanej trwałości konstrukcji (70 lat)

_c=_c(t₀)+_c(∞,t₀)=2, 58 mm + 6, 38 mm = 8, 96 mm

SKURCZ BETONU

Skurcz betonu jest zjawiskiem polegającym na równomiernym zmniejszaniu się objętości we wszystkich kierunkach elementu betonowego niezależnie od działających sił zewnętrznych. A zatem bezpośrednim skutkiem skurczu są odkształcenia ε.

W przypadku swobodnej możliwości odkształcania się elementu betonowego, odkształcenia skurczowe nie wywołują żadnych sił wewnętrznych w elemencie. W przypadku ograniczenia swobodnego odkształcania się elementu betonowego, odkształcenia skurczowe powodują wystąpienie sił wewnętrznych. Wartości tych sił zależą od podatności elementów ograniczających odkształcenia betonowego elementu. Skurcz jest oddziaływaniem pośrednim, tak jak temperatura i osiadanie podpór. Wartości naprężeń rozciągających w elemencie betonowym przy mało podatnych ograniczeniach swobodnego odkształcania się elementu betonowego są większe niż wartość wytrzymałości betonu na rozciąganie, co powoduje zniszczenie stref rozciąganych. Za pomocą odpowiedniego zbrojenia, można te strefy wzmocnić. Z jednej strony zjawisko skurczu jest niekorzystne dla konstrukcji, ze względu na powstawanie rys, przez które wnika wilgoć i powoduje korozję stali zbrojeniowej,

Z drugiej strony jednak skurcz dla konstrukcji żelbetowych jest zjawiskiem pozytywnym, bo bez zjawiska skurczu nie byłoby możliwe uzyskiwanie wystarczająco skutecznego współdziałania kompozytu, jakim jest beton-stal. Skurcz powoduje – mówiąc obrazowo- zaciskanie się betonu wokół prętów zbrojenia wywołując naprężenia ściskające działające na obwodzie pręta, co z kolei wraz ze współczynnikiem tarcia powoduje zwiększenie sił tarcia, a więc zwiększenie przyczepności pręta do betonu.

Całkowite odkształcenie skurczowe składa się:

• z odkształcenia spowodowanego wysychaniem betonu

• z autogenicznego (samorodnego) odkształcenia skurczowego.

Odkształcenie spowodowane wysychaniem betonu rozwija się powoli.

Autogeniczne odkształcenie skurczowe rozwija się w ciągu paru dni w czasie twardnienia betonu, czyli podczas zachodzącego procesu hydratacji. W tej fazie wiązania betonu wytwarza się też wysoka temperatura wiązania, której maksimum osiągnięte zostaje w ciągu ok. 30 godzin od wlania betonu formy. Po tym, element betonowy już częściowo związany schładza się, a tym samym zmniejsza swoja objętość. Towarzyszą temu zjawiska podobne do tych przy skurczu. Ten efekt uwzględnia się przy nieswobodnych odkształceniach elementów betonowych.

Wartość całkowitego odkształcenia skurczowego ε_cs oblicza się ze wzoru

ε_cs = ε_cd + ε_ca;

ε_cd - odkształcenie skurczowe spowodowane wysychaniem

ε_ca - odkształcenie skurczowe autogeniczne

Końcowa wartość odkształcenia skurczowego od wysychania wynosi:

ε_cd,∞ = k_hε_cd,0.

ε_cd,0 -z tablicy 3.2, a k_h -z tablicy 3.3

h₀ = 2A_c/u

A_c – pole powierzchni przekroju elementu

u - obwód tej części elementu, która poddana jest wysychaniu.

Odkształcenie skurczu autogenicznego oblicza się wg:

ε(t)_ca = β_as(t)ε_ca(∞);

ε_ca(∞) = 2,5(f_ck-10)*10^-6,

β_as(t) = 1-e^(-0,2√t)

WPŁYW SKURCZU I PELZANIA NA KONSTRUKCJĘ

Negatywne skutki wywołane skurczem i pełzaniem

• zwiększenie ugięć belek, płyt w wyniku w pływu skurczu i pełzania betonu w strefie ściskanej

• zwiększenie się krzywizny słupów mimośrodowo ściskanych na skutek pełzania, co zwiększa mimośród a tym samym obniża nośność konstrukcji.

• Straty naprężeń w elementach sprężających

• Rysy na powierzchniach zewnętrznych elementów betonowych

Pozytywne skutki wywołane skurczem i pełzaniem

• Zmniejszenie się koncentracji naprężeń, np. w narożach ram lub w obszarach sił skupionych tzn. złagodzenie wykresu momentów zginających

• Zmniejszenie się naprężeń spowodowanych oddziaływaniem pośrednim np. temperaturą i osiadaniem podpór.

• Zwiększenie przyczepności stali do betonu

TRWAŁOŚĆ BETONU

Do produkcji betonu należy użyć takiej mieszanki, aby łącznie z obróbka i pielęgnacją beton stał się odporny na wpływy atmosferyczne i inne wpływy zewnętrzne.

Zaleca się stosowanie klasy betonów w zależności od klasy ekspozycji wg tablicy E1 normy. Projektant powinien dobrać odpowiednią klasę ekspozycji, tzn. dostosować konstrukcję do klasy otoczenia i powiadomić o tym projektanta betonu. Struktura betonu nie jest 100% szczelna. Występują pory różnej wielkości i różnego rozmieszczenia, przez które przenikać mogą gazy, wilgoć chemicznie agresywne ciecze.

Wielkości tych porów można zmniejszyć przez sterowanie stosunkiem wody do cementu w/c, odpowiednią pielęgnację betonu, odpowiedni dobór uziarnienia kruszywa i odpowiednią konsystencją.

KARBONATYZACJA BETONU I KOROZJA STALI ZBROJENIOWEJ

Beton powstaje w wyniku hydratacji (uwodnienia) cementu. Hydratacja jest to reakcja chemiczna polegająca na przyłączaniu cząsteczki (lub cząsteczek) wody do cząsteczki związku chemicznego. W technologii cementu szereg procesów fizycznych i chemicznych związanych po zmieszaniu cementu i wody nazywamy hydratacją.

Pod pojęciem karbonatyzacji rozumie się chemiczną reakcje wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla znajdującym się w ok. 0,03% w powietrzu. Wodorotlenek wapnia uwalnia się w czasie reakcji hydratacji cementu i z pozostałą wolną wodą tworzy wapń, czyli praktycznie ponownie to, z czego powstał cement.

Proces ten przebiega od powierzchni betonu w kierunku do środka bryły. Wilgotne środowisko sprzyja temu procesowi. Bardzo suchy i bardzo wilgotny beton praktycznie nie podlega karbonatyzacji.

Karbonatyzacja może być w niektórych konstrukcjach zjawiskiem korzystnym, np. beton zbiornika wodnego może stawać się szczelniejszy, tzw. samoleczenie się rys.

Jeżeli jednak uwolniony wodorotlenek wapnia zużył się całkowicie, zaczyna się spadek zasadowości ( alkaliczności) betonu. Jeżeli karbonatyzacja dochodzi do zbrojenia, zbrojenie traci swą odporność i w otoczeniu tlenu i wilgoci rozpoczyna się proces korozji zbrojenia. Na skutek powstającego tlenku żelaza powiększa się objętość prętów stali zbrojeniowej i otulina zaczyna odpadać od zbrojenia. Przyspiesz to proces korozji stali zbrojeniowej.

W otoczeniu suchym (brak wilgoci) i pod wodą (brak tlenu) korozja nie następuje. Warunki niekorzystne to ciągła zmiana otoczenia z suchego na wilgotne.

Ponadto są jeszcze następujące problemy osłabiające własności betonu:

• Korozja w otoczeniu chloru

• Korozja na skutek procesów rozmrażania i zamrażania

• Agresja chemiczna

• Agresja rozluźniająca

• Agresja napedzajaca procesy chemiczne

Srodki zaradcze: Stosować się do norm w sprawie klas ekspozycji konstrukcji.

Ścieralność betonu

Powierzchnie narażone na ścieranie należy wykonać z odpowiedniego składu mieszanki, tak by zwiększyć odporność na ścieranie:

• cementu <=360 kg/m³_betonu

• ziarna kruszywa do 4 mm muszą mieć w składzie większość kwarcu

• część kruszywa powyżej 4 mm to żwir lub kruszona skała

• ew. tworzywa o dużej odporności na ścieranie

Beton do specjalnych celów

• Beton konstrukcyjny dla elementów nośnych pod wodą

• Beton narażony na wysokie temperatury

• Betony o wysokiej szczelności. Elementy niezarysowane, elementy z niezarysowaną strefą ściskaną lub elementy z rysami przechodzącymi przez cały przekrój mogą być uznane za szczelne, jeśli przejęty przez element betonowy płyn z reguły nie przejdzie na drugą stronę elementu w ciągu 72 godzin. Poza ograniczeniami rozwartości rysy do 0,2 mm muszą być jeszcze spełnione warunki:

  • Zwiększona kontrola betonu

  • Szczelniejsze kruszywo ( max 16 mm lub32 mm)

  • Stosunek w/c = 0,45 do 0,50

  • Zawiesina cementowa <= 290 l/m³

  • Konsystencja plastyczna

Pielęgnacja betonu

Wymagania nałożone, na jakość betonu wg klas ekspozycji będą spełnione na powierzchniach betonu tylko wtedy, gdy beton po zagęszczeniu będzie odpowiednio pielęgnowany.

Pielęgnacja obejmuje wszystkie środki, które służą do ochrony świeżego i młodego betonu przed

• Nadmiernym wysychaniem

• Zbyt niską temperaturą

• Zbyt wysoką temperaturą

• Działaniem promieni słonecznych

• Przed działaniem wiatru

• Zbyt wczesnej agresji chemicznej

Pielęgnację należy utrzymywać aż do momentu gdy kamień cementowy jest wystarczająco szczelny i wytrzymały.

Ochrona betonu powinna się rozpocząć bezpośrednio po zagęszczeniu, aby ograniczyć zły wpływ plastycznego skurczu betonu.

Właściwe środki zaradcze to takie, które zachowują wodę w betonie lub/oraz wodę doprowadzają , spowalniają odprowadzenie ciepła hydratacji, chronią powierzchnię przed wiatrem, mrozem i bezpośrednim nasłonecznieniem. np.:

• Pozostawienie w zimie elementu w deskowaniu z dodatkową izolacją cieplną, tak samo w lecie przy deskowaniu stalowym.

• Podczas silnych upałów wylewanie betonu pod namiotami

• Pokrycie powierzchni folią, którą należy wzdłuż brzegów dobrze docisnąć by uniknąć przeciągów

• Utrzymywania wilgotnej powierzchni betonu, przez zraszanie i pokrywanie folią. W upały woda do polewania nie może być zbyt zimna

Domieszki do betonu. Domieszki uplastyczniające i upłynniające

Około 80% -90% betonów wykonuje się obecnie z dodatkami w postaci proszków lub płynów. Stosuje się je na ogół w celu poprawy urabialności. Droższe plastyfikatory tzw. superplastyfikatory zapewniają upłynnienie jak i redukcję wody zarobowej. Reagują z mieszanką betonową chemicznie albo fizycznie. Dodatki te w niewielkich ilościach powodują oczekiwaną zmianę własności betonu.

Rozróżnia się tu

• Środki upłynniające, upłynniacze: głównym efektem tych domieszek jest uzyskanie lepszej urabialności świeżej mieszanki betonowej.

• Środki uplastyczniające, plastyfikatory: efektem domieszki uplastyczniającej z jednoczesnym zmniejszeniem ilości wody zarobowej może być oszczędność cementu dla uzyskania danej klasy betonu, przy zachowaniu konsystencji mieszanki i wytrzymałości betonu.

• Superplastyfikatory: zwiększają ciekłość mieszanki w znacznie większym stopniu niż plastyfikatory, lub alternatywnie umożliwiają znaczne zmniejszenie wody zarobowej. Powoduje to wyraźny wzrost wytrzymałości betonu. Stosuje się je dla betonów wysokiej wytrzymałości.

Nie ma wyraźnej granicy oddzielającej plastyfikatory od superplastyfikatorów

• Domieszki uszczelniające beton

• Domieszki znacznie spowalniające twardnienie betonu. Stosowane przy betonowaniu w wysokich temperaturach, przy dłuższych przerwach w procesie betonowania, przy betonowaniu dużych (długich) elementów bez przerw roboczych i przy dużych odległościach transportowanego betonu.

• Przyspieszacze: przyspieszają znacznie twardnienie betonu. Stosowane przy betonowaniu w niskich temperaturach albo dla skrócenia terminu rozmontowania deskowania.

• Stabilizatory: stosuje się do zapobiegania oddzielania się wody zarobowej w mieszance betonowej. Stosuje się w betonie pompowanym, natryskowym, w betonowaniu pod wodą i dla uzyskania lepszych architektonicznych efektów płaszczyzn ścian betonowych.

SZCZEGÓLNE RODZAJE BETONÓW

• Beton lekki

Wykonywany jest na bazie kruszyw lekkich naturalnych lub sztucznych o strukturze zwartej i gęstości <= 2 t/m³.

Kruszywa:

• pumeks naturalny 0,42 do 0,7 t/m³

• pumeks hutniczy 0,5 do 1,5 t/m³.

Klasy wytrzymałościowe betonów lekkich określa się na podstawie cech wytrzymałościowych tak, jak betonów normalnych. Symbol LC np. LC20/25. Odpowiednio do tego

f_lck = 20 MPa i f_lcd=f_lck /γ_c =0.85×20/1,5 0=11,33 MPa

• Beton o wysokiej wytrzymałości HSC (High Strength Concrete)

Beton o wysokiej wytrzymałości to klasy powyżej C60/70 do C100/105 i wyżej. Uzyskiwane z odpowiednio wytrzymałych kruszyw z dodatkiem mikrokrzemionki i domieszek superplastyfikatorów.

• Beton ochronny przeciw promieniowaniu

Stosuje się do elektrowni atomowych. Chroni przed promieniowaniem jonizującym, przede wszystkim przed promieniami neutronowymi. Właściwości te nadaje się przez dodatki chemiczne głównie atomy wodoru.

Działanie ochronne przeciw promieniowaniu gamma otrzymuje się dzięki wysokiej gęstości, uzyskiwanej przez dodatki do kruszywa barytu, żelaza,..

• Beton włóknisty

Wykonuje się z mieszanki kruszywa, cementu, wody i krótkich włókien. Poprzez dodatek włókien powstaje materiał zespolony ( kompozyt). Otrzymuje się beton o podwyższonej wytrzymałości na rozciąganie o ok. 110% większą.

Dodaje się sisal, nylon, szkło, stal. Najskuteczniej działa dodatek z włókien szklanych. Przy tym zwiększa się też wytrzymałość betonu na ściskanie o ok. 45%.

Ponieważ wytrzymałość betonu na ściskanie ze względu na swą niejednorodną strukturę („twardsze”) od wypełnienia porów między kruszywem „miększym” kamieniem cementowym) zależy od jego wytrzymałości na rozciąganie, zwiększenie wytrzymałości betonu na rozciąganie powoduje zwiększenie jego wytrzymałości na ściskanie.