Właściwości betonu

    Beton jest ośrodkiem wieloskładnikowym, składającym się z ziaren kruszywa oraz matrycy cementowej. Beton po uformowaniu oraz stwardnieniu jest rodzajem sztucznej skały. Własności tego kompozytu zależą od wielu czynników, jednak jednym z podstawowych jest jakość zaczynu cementowego oraz stosunek cementowo-wodny. W mniejszym stopniu zależy od zastosowanego kruszywa. Twardnienie betonu rozpoczyna się po kilku godzinach od zmieszania składników. Jest to proces długotrwały, mierzony w latach. Standardowo badania wytrzymałości przeprowadza się po 28 dniach, kiedy beton osiągnie 90% swojej pełnej projektowanej wytrzymałości.

   Klasyczne betony konstrukcyjne, w zależności od gęstości objętościowej, dzieli się na trzy podstawowe grupy:

• betony ciężkie ,
• betony zwykłe ,
• betony zwykłe .

   Obecnie stosuje się również kompozyty betonowe modyfikowane. Modyfikacja może polegać na zastosowaniu tworzyw sztucznych, włókien ciągłych oraz zbrojenie rozproszonymi włóknami krótkimi tzw. fibro betony. Jednak podstawowym przeznaczeniem betonu konstrukcyjnego są nadal konstrukcje żelbetowe. Beton jest szeroko stosowany w konstrukcjach żelbetowych. Ja skupię się na betonie zwykłym, bowiem dla tego materiału przeprowadzono najwięcej badań doświadczalnych. Sam żelbet jest również kompozytem jednak w innej skali. Współpraca betonu ze zbrojeniem jest podstawą istnienia żelbetu. Jest ona spowodowana istnieniem przyczepności prętów i matrycy betonowej.

Struktura betonu

   Beton jest materiałem kompozytowym. Składa się z kruszywa o różnej wielkości i kształcie ziaren (faza rozproszona) rozmieszczonych w matrycy cementowej (faza ciągła). Zawiera też wiele pustek i mikroszczelin, wypełnionych powietrzem lub wodą i rozmieszczonych głównie na granicach pomiędzy fazami. Istnieją one w betonie jeszcze zanim zostanie on poddany jakimś zasadniczym obciążeniom. Struktura betonu jest w konsekwencji wielofazowa i niejednorodna, czyli heterogeniczna. Właściwości kompozytu betonowego zależą od właściwości poszczególnych faz, ich objętości procentowej oraz przestrzennej konfiguracji faz betonu. Ważnym czynnikiem jest przyczepność między fazami. Podczas obciążania mikroszczeliny powstają oraz rozwijają się na skutek różnicy sztywności poszczególnych faz. Następuje lokalna koncentracja naprężeń i przyspieszenie wzrostu oraz propagacji mikroszczelin. Konsekwencją takich zjawisk jest nieliniowe zachowanie się betonu, nawet przy niewielkim poziomie naprężeń. Po dalszym zwiększaniu obciążenia wzrasta długość mikrorys, co prowadzi do ich łączenia i powstania całych układów rys. Następuje wtedy zniszczenie elementu żelbetowego poprzez rozpad.

Badania doświadczalne betonu

   W badaniach doświadczalnych operuje się pojęciem naprężenia oraz odkształcenia średniego. Prowadzi to do założenia, że beton jest materiałem jednorodnym. Założenie takie może być uznane za trafne tylko w przypadku odpowiedniej wielkości próbki. Rozmiary powinny być wielokrotnie większe niż rozmiar zastosowanego kruszywa. Przedstawię teraz kilka podstawowych zależności konstytutywnych dla przykładowych betonów klasy B20, B30 oraz B50.

Jednoosiowe i dwuosiowe testy betonu

   Przykładowe krzywe dla betonu przedstawione będą w tym miejscu. Ponieważ dokładny kształt całej krzywej naprężenie-odkształcenie sam w sobie nie jest właściwością materiału, ale zależy od konfiguracji próbki, np. od jej wymiarów oraz układu obciążeń. Jednak związek konstytutywny do analizy konstrukcji ma zasadnicze znaczenie. Dlatego zgodnie z A.M. Neville, przedstawię teraz propozycje równań opisujących związek pomiędzy naprężeniem a odkształceniem. Podejmowane były liczne próby, jednak według A.M.Neville [2] najbardziej udana była propozycja przedstawiona przez Desayi i Krishnan:

,

gdzie:

- odkształcenie,

- naprężenie,

- odkształcenie przy maksymalnym naprężeniu,

- początkowy, styczny moduł sprężystości, przyjmowany jako podwójną wartość modułu siecznego przy maksymalnej wartości naprężenia , tj. jako:

.

    Przedstawię teraz prawo konstytutywne, czyli zależność naprężenie-odkształcenie dla różnych klas betonu. Począwszy od klasy B20 a skończywszy na betonie klasy B50. Jednak wszystkie te wykresy łączy kilka cech wspólnych, które można zaobserwować na wyk.1. Zachowanie betonu jest liniowe do około 30% maksymalnej wytrzymałości betonu na ściskanie . Powyżej tej granicy wykres zdecydowanie się zakrzywia, wykazując znaczącą nieliniowość. W granicach od 75% do 90% zakrzywienie wzrasta gwałtownie. Jest to spowodowane coraz większą degradacją betonu. Zjawisku temu towarzyszy zwiększenie odkształceń. Krzywa osiąga ekstremum równe , po czym wykres zaczyna opadać, aż do momentu zniszczenia betonu na skutek pokruszenia.

    Wykresy 2-5 przedstawiają krzywe naprężenie-odkształcenie dla różnych klas betonu w testach jednoosiowego ściskania i rozciągania. W dalszej części przedstawię naprężenia w betonie przy zniszczeniu w dwuosiowym stanie naprężenia.

   Wykresy dla jednoosiowego ściskania i rozciągania dla betonów klas od B20 do B50 posiadają kilka wspólnych cech. Szczególnie ważne jest przedstawienie stosunku wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie.

Modelowanie intrerfejsu oraz przyczepność betonu do zbrojenia

    Zagadnienie przyczepności stali oraz betonu stanowi bardzo trudne i ważne zagadnienie, ze względu na to, że beton w konstrukcjach budowlanych jest stosowany głównie jako zbrojony. Jako zbrojenie stosuje się pręty stalowe gładkie oraz żebrowane. Zagadnienie przyczepności między tymi dwoma materiałami jest szczególnie ważne z uwagi na zachowanie się konstrukcji, włączając w to zarysowanie wskutek skurczu i wczesnych wpływów termicznych. Przyczepność powstaje głównie jako rezultat tarcia oraz adhezji między betonem a stalą. Jest również wynikiem mechanicznego zazębiania się w przypadku prętów żebrowanych. W przypadku prętów różnego rodzaju skurcz betonu jest czynnikiem poprawiającym przyczepność miedzy betonem a prętami stalowymi. Aby zagłębić się w modelowanie numeryczne interfejsu betonu i stali, niezbędne jest zagłębienie się w tematykę skurczu betonu. Jednak zagadnienie skurczu betonu wykracza poza tematykę tej pracy magisterskiej.

   Badania przyczepności prowadzi się wyrywając pręty stalowe z próbek betonowych. Testy te nazwane z angielskiego ''pullout'', są jedną z możliwości oszacowania sił przyczepności. Na podstawie, można określić stan naprężenia panujący na granicy betonu i stali, przy teście pullout. W miarę wzrostu siły wyrywającej punkt maksymalnych naprężeń ścinających przesuwa się w głąb próbki, wzdłuż pręta. Świadczy to o postępującej utracie przyczepności począwszy od czoła próbki. Początkowo pracuje tylko niewielka strefa blisko krawędzi. Następnie przy zwiększaniu siły wyrywającej, strefa aktywna powiększa się, następnie przesuwa w głąb, zachowując tę samą szerokość. W ostatecznym przypadku następuje całkowite odspojenie stali oraz betonu. W przypadku wyrywania prętów żebrowanych, zniszczeniu towarzyszy powstanie szczelin oraz kruszenie się betonu w pobliżu pręta, na skutek lokalnego przekroczenia wytrzymałości na rozciąganie w betonie. Zniszczenie interfejsu jest spowodowane różnicą właściwości betonu oraz stali oraz różnicą ich zachowania. Moduł Young’a dla stali jest około dziesięć razy większy niż moduł Young’a dla betonu. Relacja naprężenie - odkształcenie dla stali jest symetryczna w rozciąganiu i ściskaniu. Objawia się to zniszczeniem i utratą przyczepności, poślizgiem pręta oraz pękaniem betonu. W przypadku mojej pracy magisterskiej, założyłem, że zniszczenie propagować się będzie tylko i wyłącznie w bloku betonowym. Było to zrealizowane poprzez ''przyklejenie'' obu części, czyli zrównanie przemieszczeń węzłów pręta stalowego oraz bloku betonowego. W dalszych rozważaniach właściwości betonu, powinno się skoncentrować również na skurczu betonu oraz wpływach termicznych, co może prowadzić do dokładniejszego opisu współpracy betonu i stali.