Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение"

Деформации под нагрузкой. Бетон является упруго-вязкопластичным материалом, вследствие этого при некоторой длительности действия механической нагрузки в образце наряду с упругими возникают и вязкогшастические деформации.

Если в некоторый момент времени снять нагрузку, то деформация бетона уменьшится на величину, равную начальной упругой деформации. Затем происходит медленное восстановление некоторой части мгновенно обратимых деформаций. Упругие деформации характеризуются полной упругой деформацией, а также модулем упругости.

Модуль упругости бетона зависит не только от прочности, но и от его структуры, свойств песка, щебня и др. При равной прочности с уменьшением крупности щебня модуль упругости уменьшается, с ростом крупности увеличивается.

Зависимость относительной деформации бетона от приложенного напряжения непрямолинейна (рис. 7.8), вследствие этого с ростом напряжений модуль упругости изменяется.

Для бетонов классов В15 . . .ВЗО модуль упругости находится в пределах 3-104 . . . 4-104 МПа. При σ = RД (длительной прочности) модуль деформации уменьшается на 10 ... 25 % по сравнению с модулем упругости.

Необратимые упругопластические деформации, возникающие под влиянием постоянной нагрузки, называют деформациями ползучести. Они могут превышать упругие деформации бетона в несколько раз и возрастают с увеличением постоянной нагрузки и времени ее действия. Деформации ползучести определяются структурой бетона, прежде всего микроструктурой цементного камня. Гелевая составляющая цементного камня, а также развитие микротрещин в бетоне под воздействием механической нагрузки в основном обусловливают ползучесть (вязко-пластические деформации).

Повышенные тонкость помола цемента и водоцементное отношение способствуют росту деформаций ползучести. С увеличением количества щебня и песка ползучесть бетона уменьшается.

Деформации бетона учитывают, решая многие задачи, и в первую очередь при расчете и технологии производства железобетонных конструкций.

Деформации при изменении влажности. С изменением влажности бетон претерпевает объемные изменения (рис. 7.9). Если постоянно бетон находится во влажной среде, постепенно увеличивается его объем — набухание, и, наоборот, с уменьшением влажности происходит усадка. Усадка при твердении происходит в две стадии. Первичная усадка вызвана испарением и возможной утечкой воды из бетонной смеси через опалубку, поглощением влаги опалубкой, а также основанием дорожной одежды.

Вторичная усадка возникает в процессе твердения и высыхания бетона. Этот вид усадки частично обратим, так как при последующем увлажнении бетон расширяется. Размер усадки и ее развитие зависят от минералогического состава и добавок, тонкости помола цемента, водоцементного отношения, свойств и количества заполнителей, температуры и влажности окружающей среды. Повышенная усадка характерна для бетонов с большим содержанием цемента и водоцементным отношением (В/Ц > 0,6). Ориентировочно коэффициент усадки для дорожных бетонов можно принять равным 0,15 мм на 1 м.

Температурные деформации. Коэффициент температурного расширения или сжатия изменяется в зависимости от состава бетона и его влажности. Для практических целей можно принять коэффициент температурного расширения бетона равным 10-10-6 на 1°С. При оценке температурных деформаций в больших массивах обычно принимают половину значения указанного коэффициента. Температурные деформации бетона создают напряжения в плитах дорожных одежд и могут вызвать трещины. Для устранения этого явления в бетонных покрытиях устраивают температурные швы.

Пористость бетона. Важнейшей структурной характеристикой бетона является пористость, которая в значительной степени определяет его свойства. С увеличением пористости заметно возрастают водопоглощение, водонасыщение, водопроницаемость, уменьшаются прочность, морозостойкость и долговечность бетона.

Так как истинные плотности щебня, песка и продуктов взаимодействия цемента с водой близки, а средняя плотность тяжелых бетонов колеблется в небольших пределах (2200 . . . 2500 кг/м3), пористость по существу зависит только от средней плотности бетона.

Таким образом, деление бетонов по их средней плотности практически является классификацией по пористости.

Обычно пористость тяжелых бетонов составляет 10 ... 15 %, в отдельных случаях - 5 ... 7 %. Дальнейшее понижение пористости затруднено вследствие сложности уплотнения жестких, бетонных смесей и удаления из них воздушной составляющей. Для оценки пористости важны показатели, характеризующие крупность, распределение пор, их форму и степень замкнутости. Размер пор и их строение определяет, в частности, характер связи воды, заключенной в порах, ее способность к миграции в бетоне, что существенно влияет на водопоглощение, водонасыщение, водопроницаемость и другие свойства.

Фильтрация воды в бетонах происходит по порам и капиллярам в цементном камне при размере их диаметра больше 1 мкм, а также по микрополостям в местах контактов заполнителей и цементного камня. У тяжелых бетонов водопоглощение колеблется в пределах 2 ... 4 % по массе (или 5 ... 10 % по объему), их водонасыщение больше. Разница между водопоглощением и водонасыщением обусловлена объемом замкнутых пор в бетоне.

Вследствие капиллярно-пористой структуры бетона попеременное увлажнение и высыхание приводят к знакопеременным объемным деформациям, что постепенно ослабляет структуру. При водонасыщении бетона его прочность снижается. Коэффициент размягчения (отношение прочности в водонасыщенном состоянии к прочности в сухом) для тяжелых цементных бетонов колеблется в пределах 0,85 ... 0,9. Бетон даже плотного строения, будучи по природе капиллярно-пористым телом, проницаем для воды при наличии соответствующего гидростатического давления. Для многих конструкций и сооружений необходим практически водонепроницаемый бетон при определенном расчетном эксплуатационном гидростатическом давлении.

В зависимости от показателя водонепроницаемости бетон подразделяют на следующие марки с указанием величины гидростатического давления (Па-105), при котором вода не просачивается через образец бетона стандартного размера при стандартной методике испытания (ГОСТ 12730.5 - 84): W2, W4, W6, W8, W10, W12, W16, W16, W20.

Получение бетона повышенной плотности достигается при оптимальном содержании цемента и песка, малом водоцементном отношении и соответствующем интенсивном уплотнении при формовании изделий, а также оптимальном влажностном (водном) режиме твердения бетона. Водонепроницаемость может быть повышена путем применения расширяющегося портландцемента, введения уплотняющих (например, алюмината натрия) и поверхностно-активных добавок как гидрофильных, так и гидрофобных. Добавки видоизменяют микроструктуру бетона за счет уменьшения водопотребности смеси, а, следовательно, повышения плотности бетона и вовлечения некоторого количества воздуха в поры, что блокирует сообщение между отдельными капиллярами и микрополостями. Эффективным способом понижения водонепроницаемости является кольматация пор высокомолекулярными моно- и полимерными веществами (битумы, метилметакрилат др.)

Морозостойкость - способность бетона, находящегося в увлажненном или насыщенном водой состоянии, противостоять систематическому действию знакопеременных температур окружающей среды без изменения структурных и физико-механических характеристик.

Морозостойкость бетона количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы бетона без снижения прочности на сжатие более 5 %, по сравнению с прочностью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте, а для дорожного бетона, кроме того, без потери массы более 3 %. Установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости: F50, F75, F100, F200, FЗОО, F400, F500, F600, F800 и F1000.

Морозостойкость - одно из основных свойств бетона, предопределяющая его долговечность. Основной причиной разрушения бетона при многократном попеременном замораживании и оттаивании, сопровождающемся водонасыщением, является увеличение объема воды в порах бетона на 9 ... 10 %, в результате чего создается давление на стенки пор и в бетоне возникают значительные внутренние напряжения. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и к его разрушению. Определенное влияние будут оказывать напряжения, вызываемые различием в температурных коэффициентах линейного расширения заполнителей и цементного камня в бетоне и температурно-влажностном градиенте.

Разрушение от внутренних напряжений может произойти в тех случаях, когда поры в бетоне заполнены водой не менее чем на 85 ... 90 % их общего объема. Хотя в обычных условиях эксплуатации такого водонасыщения не наблюдается, но при замерзании бетона, которое происходит начиная от наружных слоев и постепенно распространяется в глубь конструкции, в нем создается градиент температуры, и влага из более теплых, внутренних слоев непрерывно мигрирует к более холодным, наружным. Создаются условия для более полного насыщения пор бетона в зонах замерзания и для разрушительного действия льда в этих зонах.

Морозостойкость зависит от водоцементного отношения, вида и активности цемента, условий твердения и возраста бетона к моменту замораживания, плотности бетона, качества песка и щебня.

С увеличением водоцементного отношения морозостойкость бетона уменьшается вследствие образования большой сети водопроницаемых, взаимосвязанных капилляров, способных легко насыщаться водой. Для морозостойких бетонов водоцементное отношение принимают не более 0,5.

В морозостойких бетонах применяют портландцементы без минеральных добавок, с содержанием алюмината С3А меньше 8 %. Пуццолановые и шлакопортландцементы снижают морозостойкость бетона из-за их большой водопотребности, характеризуемой повышенной водопотребностью цементного теста. При прочих равных условиях с увеличением активности цемента, возраста бетона его морозостойкость возрастает, что обусловлено увеличением степени гидратации цемента, а следовательно, уменьшением общей пористости цементного камня.

Для   морозостойких   бетонов  предъявляются повышенные требования к песку и щебню. В них ограничивается содержание примесей, увеличивающих водопотребность   и снижающих  прочность  сцепления    цементного   камня   со   щебнем. Коэффициент  линейного  температурного расширения щебня не должен резко отличаться от коэффициента линейного температурного расширения цементного камня. Для повышения морозостойкости бетона необходимо подбирать плотные составы из морозостойкого щебня и песка с оптимальным количеством цемента при минимально возможном количестве воды, применять прогрессивную технологию перемешивания и уплотнения смесей, а также   обеспечивать   уход   за   свежеуложенным  бетоном в начальный период твердения, в частности обработку поверхности плит битумной (дегтевой) эмульсией или разжиженным   битумом.   Повышают  морозостойкость гидрофобные воздухововлекающие добавки, способствующие образованию условно-замкнутых пор с гидрофобной   поверхностью, которые в обычных условиях  не  заполняются  водой и служат   резервными порами, куда отжимается вода при замораживании бетона. Введение в смесь уплотняющих структуру добавок в виде растворов, суспензий   и   эмульсий   заметно   понижает   пористость   и   повышает   морозостойкость бетона.   Так,   известны   добавки,   изготавливаемые на основе хлористого кальция в сочетании с  хлористым алюминием и хлористым железом, эмульсии высокомолекулярных соединений (битумные, полимерные и др.). Морозостойкость возрастает во много раз при пропитке бетонных изделий высокомолекулярными веществами, мономерами, полимерами. Такие бетоны имеют низкое водопоглощение, высокую морозостойкость и прочность. Они называются бетонополимерами и имеют большую перспективу применения в дорожном строительстве.

Коррозия бетона. Под стойкостью бетона к коррозии понимается его способность в течение длительного срока сохранять в условиях воздействия внешней среды необходимые структурные и физико-механические свойства, обеспечивая нормальные условия работы конструкции.

Различают физические, химические и биологические причины коррозии бетона. К физическим причинам относятся: многократное попеременное замерзание и оттаивание бетона; частые попеременные увлажнение и высыхание бетона в условиях положительных температур; капиллярный подсос с миграцией в бетоне влаги, содержащей растворимые соли, что вызывает отложение и выкристаллизовывание солей в порах бетона с развитием значительного внутреннего давления на стенки пор, а также воздействие на бетон высоких температур.

К химическим факторам относится агрессивное воздействие химически активной по отношению к бетону водной или газовой среды.

К биологическим факторам относятся воздействия на бетон органических кислот и биосферы, особенно при работе сооружений в торфяных грунтах, на предприятиях пищевой промышленности.

Сущность коррозионного воздействия различных агрессивных факторов выражается в растворении структурных компонентов цементного камня с последующим процессом их вымывания или в образовании новых химических соединений в цементном камне, способных растворяться в жидкой среде или кристаллизоваться, вызывая напряжения в цементном камне и микротрещинообразование.

Коррозия бетона зависит главным образом от коррозионной стойкости цементного камня. Чем больше поверхность бетона, соприкасающаяся с агрессивной средой, тем интенсивнее коррозия бетона. Поэтому для придания коррозионной стойкости бетону необходимо:

повышать   плотность   бетона  за  счет снижения     водоцементного    отношения, тщательного уплотнения смеси и обеспечения  нормальных условий твердения; применять сульфатостойкие портландцемент (С3S < 50 %; С3А < 5 %) в бетонах, находящихся в минерализованных водах;

применять цементы с активными гидравлическими добавками (шлакопортландцементы, пуццолановые), обеспечивающими химическое связывание гидроксида кальция и повышающими устойчивость бетона в проточных и напорных водах; защищать поверхность бетона от проникновения газов и воды с растворенными агрессивными веществами, затирая поверхность изделия раствором жидкого стекла с последующей обработкой хлористым кальцием или кремнефтористым натрием, обрабатывая поверхность битумом или дегтем, битумной эмульсией, пленкообразующими веществами

Долговечность бетона характеризуется продолжительностью его работы в определенных конструктивных элементах сооружений и в данных условиях эксплуатации до их предельно допустимого изменения свойств.