3. Właściwości betonu

3.1 właściwości betonu

beton jest sztucznym konglomeratem kamiennym wykonanym głównie z cementu portlandzkiego, wody i kruszyw. Po pierwszym zmieszaniu woda i cement stanowią pastę, którąprzepuszcza wszystkie pojedyncze kawałki kruszywa, aby uzyskać mieszaninę z tworzywa sztucznego. Między wodą a cementem odbywa się działanie chemiczne zwane nawodnieniem, a Beton normalnie zmienia się z plastiku do stanu stałego w ciągu około 2 godzin. Następnie konkretkontynuuje, aby zyskać siłę, gdy leczy. Typowa krzywa siły-wzmocnienia jest pokazana na Rys. 1. Przemysł przyjął wytrzymałość 28-dniową jako punkt odniesienia, a specyfikacje często odnoszą się do testów ściskania butli z betonu, które są kruszone 28 dni po ich wykonaniu. Uzyskaną siłę otrzymuje oznaczenie f ‘ C

podczas pierwszego tygodnia do 10 dni utwardzania ważne jest, aby beton nie był przystosowany do zamarzania lub wyschnięcia, ponieważ którykolwiek z nich byłby bardzo niekorzystny dla rozwoju wytrzymałości betonu. Teoretycznie, jeśli jest przechowywany w wilgotnychśrodowisko, Beton zyska siłę na zawsze, jednak w praktyce około 90%jego wytrzymałości uzyskuje się w ciągu pierwszych 28 dni.

Beton nie ma prawie żadnej wytrzymałości na rozciąganie (Zwykle mierzonej na około 10 do 15% jego wytrzymałości na ściskanie) i z tego powodu prawie nigdy nie jest używany bez jakiejś formy wzmocnienia. Jego wytrzymałość na ściskanie zależy od wielu czynników, w tym Jakości iproporcje składników i środowiska utwardzania. Najważniejszym wskaźnikiem wytrzymałości jest stosunek użytej wody do ilości cementu.Zasadniczo, im niższy jest ten stosunek, tym wyższa będzie ostateczna wytrzymałość betonu. (Koncepcja ta została opracowana przez Duffa Abramsa ze Stowarzyszenia cementu portlandzkiego na początku lat 20. i jest obecnie stosowana na całym świecie.) Minimalny stosunek w / c (stosunek wody do cementu) około 0,3 wagowo jest konieczne, aby zapewnić, że woda wchodzi w kontakt ze wszystkimi częściami cementu (zapewniając w ten sposób całkowite nawodnienie). W praktyce typowe wartości to 0,4 do 0.6 zakres w celu osiągnięcia wykonalnej konsystencji, aby świeży beton mógł być umieszczony w formach i wokół ściśle rozmieszczonych prętów zbrojeniowych.

typowe krzywe naprężenia-odkształcenia dla różnych wytrzymałości betonu przedstawiono na rysunku 2. Większość betonów konstrukcyjnych ma wartości f ‘ C w zakresie od 3000 do 5000 psi. Jednak niższe klasy budynków wysokościowych czasami wykorzystują betony o wymiarach 12 000 lub 15 000 psi, aby zmniejszyć wymiary kolumn, które w przeciwnym razie byłyby nadmiernie duże. Mimo żefigure 2 wskazuje, że maksymalne obciążenie, które beton może wytrzymać przed zmiażdżeniem, różni się odwrotnie pod względem wytrzymałości, zwykle przyjmuje się wartość 0,003 (jako środek upraszczający) do wykorzystania w opracowywaniu rozwiązań konstrukcyjnych.

ponieważ beton nie ma liniowej części krzywej naprężenia-odkształcenia, trudno jest określić odpowiedni moduł wartości sprężystości. W przypadku betonów do około 6000 psi może być skumulowany jako

(1)

gdzie w to masa jednostkowa (pcf), f ‘ C to siła cylindra (psi).(Ważne jest, aby jednostki f ‘ C były wyrażone w psi, a nie ksi, gdy bierze się kwadrat). Gęstość ciężaru żelbetu przy użyciu zwykłych piasków i kamieni wynosi około 150 pcf. Jeżeli dla stali dozwolonych jest 5 pcf, a w przyjmuje się jako 145 w równaniu (1), to

(2)

obliczone w ten sposób wartości E okazały się akceptowalne do stosowania w obliczeniach odkształceń.
w miarę utwardzania betonu kurczy się, ponieważ woda nie używana do nawodnienia stopniowo wyparowuje z Utwardzonej mieszanki. W przypadku dużych elementów ciągłych taki skurcz może spowodować rozwój nadmiernych naprężeń rozciągających, szczególnie jeśli wysoka zawartość wody powoduje duży skurcz. Beton, podobnie jak wszystkie materiały, ulega również zmianom objętościowym w wyniku oddziaływania termicznego, a w czasie upałów ciepło z egzotermicznego procesu nawodnienia dodaje tego problemu. Ponieważ beton jest słaby w napięciu, często powstają pęknięcia z powodu takichprzepięcia i zmiany temperatury. Na przykład, gdy świeżo umieszczony beton-na-grade rozszerza się ze względu na zmianę temperatury, rozwija wewnętrzne naprężenia ściskające, ponieważ pokonuje tarcie między nim a powierzchnią gruntu. Później, gdy grunt concretecools kurczy się w miarę twardnienia) i próbuje się kurczyć, nie jest wystarczająco silny, aby oprzeć się tym samym siłom tarcia. Z tego powodu połączenia skurczowe są często wykorzystywane do kontrolowania lokalizacji pęknięć, które nieuchronnie występują, a tak zwane zbrojenie temperaturowe i sprężyste umieszcza się w kierunkach, w których zbrojenie nie zostało jeszcze określone z innych powodów. Celem tego wzmocnienia jest przystosowanie się do naprężeń rozciągających i zminimalizowanie szerokości pęknięć, które się rozwijają.

oprócz naprężeń spowodowanych skurczem i efektami termicznymi, Beton odkształca się również w wyniku pełzania. Pełzanie zwiększa deformację, która ma miejsce, gdy materiał utrzymuje wysoki poziom naprężeń przez długi okres czasu. Zawsze, gdy stale stosowane obciążenia (takie jak obciążenia martwe) powodują znaczące naprężenia ściskające, pełzanie spowoduje. Na przykład w belce dodatkowe długotrwałe ugięcie spowodowane pełzaniem może być nawet dwukrotne początkowe ugięcie sprężyste sposobem uniknięcia tego zwiększonego odkształcenia jest utrzymanie nacisku z powodu trwałych obciążeń na niskim poziomie. Zwykle odbywa się to przez dodanie compressionsteel.

3.2 proporcje mieszanki

składniki betonu mogą być proporcjonalne wagowo lub objętościowo. Celem jest zapewnienie pożądanej wytrzymałości i urabialności przy minimalnych kosztach. Czasami istnieją specjalne wymagania, takie jak odporność na ścieranie, trwałość w trudnych warunkach klimatycznych lub wodoodporność, ale te właściwości są zwykle związane z wytrzymałością. Czasami określa się betony o wyższej wytrzymałości, mimo że Niższa Wartość f ‘ C spełniałaby wszystkie wymagania konstrukcyjne.

jak wspomniano wcześniej, do uzyskania mocnego betonu potrzebny jest niski stosunek wody do cementu. Wydaje się zatem, że utrzymując jedynie wysoką zawartość cementu, można zużyć wystarczającą ilość wody dla dobrej urabialności i nadal mieć niski stosunek w/C. Problem w tym, że jest to najbardziej kosztowny z podstawowych składników. Dylemat jest łatwo widoczny na wykresach chemicznych na rysunku 3.

ponieważ większe rozmiary kruszywa mają stosunkowo mniejsze powierzchnie (dla pasty do powlekania cementu), a ponieważ mniej wody oznacza mniej cementu, często mówi się, że należy użyć największego praktycznego rozmiaru kruszywa i najsztywniejszej praktycznej mieszanki. (Większość elementów budowlanych jest zbudowana z maksymalnym rozmiarem kruszywa od 3/4 do 1 cala, większe rozmiary są hamowane przez bliskość prętów zbrojeniowych.)

dobre wskazanie zawartości wody w ziemi mieszanej, a tym samym urabialność) można mieć ze standardowego testu załamania. W tym teście metalowy stożek o wysokości 12 jest wypełniony betonem freshconcrete w określony sposób. Kiedy stożek jest podnoszony, masa betonu “spada” w dół (ryc. 4), A pionowy spadek jest określany jako spadek.Większość mieszanek betonowych ma spadki w zakresie od 2 do 5.

3.3 Cement portlandzki

surowcami cementu portlandzkiego są ruda żelaza, wapno, tlenek glinu i krzemionka, które są stosowane w różnych proporcjach w zależności od rodzaju wytwarzanego cementu. Są one mielone i wypalane w piecu do produkcji klinkieru. Po ochłodzeniu Klinkier jest bardzo drobno mielony (do konsystencji talku), a niewielka ilość gipsu jest dodawana w celu opóźnienia początkowego czasu wiązania. Obecnie stosuje się pięć podstawowych rodzajów cementu portlandzkiego:

• typ I – ogólnego przeznaczenia

• Typ II-odporny na siarczany, beton w kontakcie z glebami o wysokiej zawartości siarczanów

• Typ III-Wysoka siła wczesna, która zyskuje siłę szybciej niż typ I, umożliwiając szybsze usuwanie form

• Typ IV-niskie ciepło hydratacji, do stosowania w masywnych konstrukcjach

• Typ V-ciężka odporność na siarczan

typ I jest najtańszy i jest stosowany do większości konstrukcji betonowych. TypeIII jest również często stosowany, ponieważ umożliwia szybkie ponowne wykorzystanie form, co pozwala skrócić czas budowy. Ważne jest, aby pamiętać, że podczas gdy Typ III zyskuje siłęszybszy niż typ I, nie przyjmuje początkowego zestawu wcześniej).

3.4 Agregaty

drobny agregat (piasek) składa się z cząstek, które mogą przejść przez sito 3/8;grube agregaty są większe niż 3/8 cala. Kruszywa powinny być czyste, twarde i dobrze stopniowane, bez naturalnych płaszczyzn rozszczepiania, takich jak te, które występują w łupkach lub łupkach.Jakość kruszyw jest bardzo ważna, ponieważ stanowią one około 60 do 75% objętości betonu; niemożliwe jest wykonanie dobrego betonu ze słabymi kruszywami. Sortowanie zarówno drobnego, jak i grubego kruszywa jest bardzo istotne, ponieważ posiadanie pełnego zakresu rozmiarów zmniejsza ilość potrzebnej pasty cementowej. Dobrze sklasyfikowane kruszywa mają tendencję do sprawiania, że mieszanka jest również bardziej wykonalna.

normalny beton jest wytwarzany przy użyciu piasku i kamieni, ale lekki beton może być wytwarzany przy użyciu przemysłowych produktów ubocznych, takich jak spieniony żużel lub glina jako lekkie kruszywa. Beton ten waży od 90 do 125 pcf, a wysoka wytrzymałość jest trudniejsza do osiągnięcia ze względu na słabsze kruszywa. Można jednak osiągnąć znaczne oszczędności w zakresie własnego ciężaru budynku, co może być bardzo ważne przy budowaniu na niektórych rodzajach gleby. Beton izolacyjny jest wykonany z perlitu i wermikulitu, waży tylko około 15 do 40 pcf i nie ma wartości konstrukcyjnej.

3.5 domieszki

domieszki to substancje chemiczne, które są dodawane do mieszanki w celu osiągnięcia specjalnych celów lub spełnienia określonych warunków budowlanych. Istnieją zasadniczo cztery rodzaje: środki porywające powietrze, środki urabialności, środki opóźniające i środki przyspieszające.

w klimatach, w których beton będzie narażony na cykle zamrażania i rozmrażania powietrze jest sporadycznie mieszane z betonem w postaci miliardów małych pęcherzyków powietrza o średnicy 0,004. Pęcherzyki zapewniają połączone ścieżki, dzięki czemu woda w pobliżu powierzchni może uciec, gdy rozszerza się z powodu niskich temperatur. Bez wciągania powietrza powierzchnia betonu prawie zawsze spleje, gdy zostanie poddana wielokrotnemu zamarzaniu i przechyleniu. (Porywanie powietrza ma również bardzo korzystny efekt uboczny w postaci zwiększenia wydajności pracy bez zwiększenia zawartości wody.) Uwięzionego powietrza nie należy mylić z uwięzionym powietrzem, które tworzy znacznie większe pustki i jest spowodowane niewłaściwym umieszczeniem i konsolidacją betonu. Uwięzione powietrze, w przeciwieństwie do uwięzionego powietrza, nigdy nie jest korzystne.

środki Urabialne, które obejmują środki redukujące wodę i plastyfikatory, służą do zmniejszenia tendencji cząstek cementu do wiązania się w kłaczkach, a tym samym ucieczki przed całkowitym rozpadem. Popiół lotny, produkt uboczny spalania węgla, który ma pewne właściwości cementowe, jest często używany do osiągnięcia podobnego celu. Superplastyfikatory są stosunkowo nowymi domieszkami, które po dodaniu do mieszanki służą do znacznego zwiększenia spadku, dzięki czemu mieszanina jest bardzo soupy na krótki czas i umożliwia łatwe umieszczanie betonu o niskiej zawartości wody lub bardzo sztywnego). Superplastyfikatory są odpowiedzialne za niedawny rozwój betonów o bardzo wysokiej wytrzymałości, niektóre przekraczające 15 000 PSIB, ponieważ znacznie zmniejszają zapotrzebowanie na nadmiar wody dla urabialności.

opóźniacze są używane do spowolnienia zestawu betonu, gdy należy umieścić duże masy, a beton musi pozostać tworzywem sztucznym przez długi czas, aby zapobiec powstawaniu”zimnych połączeń” między jedną partią betonu a następną partią. Akceleratorysłuż do zwiększenia tempa przyrostu siły i zmniejszenia początkowego czasu wiązania. Może to być korzystne, gdy beton musi być umieszczony na stromym zboczu z pojedynczą formą lub gdy pożądane jest skrócenie okresu, w którym beton musi być chroniony przed zamarzaniem. Najbardziej znanym akceleratorem jest chlorek wapnia, który działa w celu zwiększenia temperatury nawodnienia, powodując szybsze układanie betonu.

inne rodzaje dodatków chemicznych są dostępne do szerokiego zakresu zastosowań. Niektóre z nich mogą mieć szkodliwe skutki uboczne na przyrost siły, skurcz i innecharakterystyki betonu, a partie testowe są wskazane, jeśli istnieją jakiekolwiek wątpliwości dotyczące stosowania konkretnej domieszki.

3.6 Kodeks Aci

American Concrete Institute (Aci), z siedzibą w Detroit, Michigan, jest organizacją specjalistów od projektowania, naukowców, producentów i konstruktorów. Jedną z jego funkcji jest promowanie bezpiecznego i wydajnego projektowania i budowy konstrukcji betonowych. ACIhas liczne publikacje, aby pomóc projektantów i budowniczych; najważniejszym z nich interms konstrukcji budowlanych jest zatytułowany wymagania kodeksu budowlanego dla ReinforcedConcrete i komentarz. Jest produkowany przez Committee 318 of the American ConcreteInstitute i zawiera podstawowe wytyczne dla urzędników kodeksu budowlanego, architektów, inżynierów i budowniczych dotyczące stosowania żelbetu do konstrukcji budowlanych.Prezentowane są informacje dotyczące materiałów i praktyk budowlanych, standardowych badań, analiz i projektowania oraz systemów konstrukcyjnych. Dokument ten został przyjęty przez większość organów kodeksu budowlanego w Stanach Zjednoczonych jako standardowy odsyłacz. Zapewnia wszystkie zasady dotyczące rozmiarów zbrojenia, produkcji i umieszczania i jest nieocenionym źródłem zarówno dla projektanta, jak i detalisty.

okresowe aktualizacje(1956, 1963, 1971, 1977, 1983, i 1989), a tekst ten nawiązuje do wydania z 1989, nazywając go kodeksem ACI lub jedynie kodeksem.Dokumenty i urzędnicy również odnoszą się do niego przez jego numeryczne oznaczenie, ACI 318-89.

3.7 Bibliografia

Boethius, A. and Ward1-Perkins, J. B. (1970). Etruscan and romanArchitecture, Penguin Books, Middlesex, England.
“Pierwszy Beton Zbrojony Konstrukcyjnie”, Beton Konstrukcyjny, 2(10).
Concrete, the Vision of a New Architecture, Faber and Faber, London.
Condit, C. W. (1968). American Building, Materials and techniques from the First Colonial Settlements to the Present, University of Chicago Press.
Drexler, A. (1960). Ludwig Miles van der Rohe, George Braziller, Nowy Jork.
Farebrother, J. E. C. (1962). “Beton-przeszłość, teraźniejszość i przyszłość”, inżynier budownictwa, październik.
Mainstone, R, J. (1975). Developments in Structural Form, the MITPress, Cambridge.