2. BETONUL2.1. STRUCTURA BETONULUI Betonul este un conglomerat cu structura eterogen. n proporii de volum: - 60... 80% agregate naturale sau artificiale, - 10... 15% ciment, - 15... 20% ap, - 2... 3% aer. n procesul de durat al ntririi, structura sufer modificri, influenate de: - factorii de mediu (umidit. relativ, temp., contact cu substane agresive) - modul de ntreinere i exploatare al constr. Betonul poate fi considerat un material bifazic, compus din agregatele nglobate n mediul liant al pietrei de ciment (matricea sistemului).

Fig. 2.1 Seciune lefuit de beton Agregatele sunt materiale n general inerte chimic, provenind din roci naturale de carier sau balastier, sau obinute pe cale artificial (granulit, zgur expandat). Ele pot fi caracterizate prin granulozitate, prin raportul PIN (pietri/nisip). Determin densitatea aparent (D.A.). Betoanele uzuale sunt: - betonul obinuit sau greu, (agregate naturale grele), D.A. 2300...2500 kg/m3 - betonul uor (agregate uoare naturale sau artificiale), D.A. 1500...2000 3 kg/m . Piatra de ciment este un pseudosolid, conine faz solid, vscoas, lichid i gazoas. Ea este format din: produsele hidratrii i hidrolizei - formaiuni cristaline i geluri; nucleele nehidratate de ciment; apa legat chimic sau fizic i apa liber; porii capilari i porii interstiiali (porii de gel). Raportul dintre volumul fazei cristaline i volumul gelurilor, respectiv dintre cimentul hidratat i cel nehidratat, depinde de un complex de factori, cum ar fi: - tipul cimentului (portland cu sau fr adausuri, hidrotehnic, cim. rezist. la sulfai), - dozajul de ciment i fineea de mcinare, evoluia n timp a procesului de ntrire,1

- factori legai de prepararea i punerea n oper a betonului (aditivii utilizai, mijloacele de compactare, temperatura i umiditatea mediului). Suprafaa total a fazei solide crete foarte mult n cursul hidratrii. Apa - legat chimic - legat fizic - liber Apa legat chimic din piatra de ciment, nu se pierde n cond. normale de temp. Apa legat fizic, cu un grad de mobilitate redus, se afl n porii interstiiali (formai ntre cristalitele gelurilor), sub forma unor pelicule avnd dimensiunile a ctorva molecule de ap. Variaia grosimii acestor pelicule de ap adsorbit pe suprafaa gelurilor poate cauza fore de atracie sau de respingere ntre particulele pietrei de ciment. Apa de consisten normal, necesar hidratrii complete a cimentului, corespunde unui raport ap/ciment de circa 0,25...0,30; din considerentul asigurrii unei bune lucrabiliti, cantitatea de ap introdus la prepararea betonului este mai mare dect cea necesar pentru hidratarea cimentului, utilizndu-se n mod curent rapoarte A/C > 0,4. Apa liber, surplusul de ap, se poate pierde prin evaporare, sau poate fi antrenat ctre nucleele nehidratate de ciment. Se formeaz astfel reele de pori de dimensiuni capilare, care comunic ntre ele, respectiv cu exteriorul. Dac umiditatea mediului se schimb, cantitatea de ap care ud pereii porilor se modific pentru restabilirea echilibrului. Asupra pereilor porilor se exercit astfel presiuni normale de compresiune de mrime variabil. Aerul se localizeaz n: - porii capilari porii interstiiali ai gelului goluri de diferite dimensiuni, formate: - la prepararea betonului - n timpul turnrii i ntririii. Cauzele sunt: separarea apei suplimentare din pasta de ciment, antrenarea aerului n timpul amestecrii, sedimentarea granulelor dup turnare sau starea intern de tensiune dintre componenii avnd proprieti diferite. Aerul antrenat la amestecarea betonului proaspt formeaz pori care nu comunic ntre ei i au dimensiuni mai mari dect ale porilor capilari, neinfluennd direct proprietile de deformare ale betonului. O mare parte a golurilor se formeaz n timpul turnrii i compactrii betonului, prin sedimentarea (tasarea) granulelor mai grele sub agregatele mari; apa liber n exces se adun deasupra, elibernd sub form de bule aerul de amestecare. Aceast structur explic anumite proprieti ale betonului: - rezistena betonului - aderena dintre beton i armtur depinde, printre altele, de direcia solicitrii fa de direcia de turnare a betonului. n urma unei tehnologii necorespunztoare de punere n oper, se pot forma i goluri de dimensiuni mai mari, de ordinul centimetrilor (caverne).2

n masa betonului se formeaz i microfisuri, ca urmare a strii interne de tensiune, creat de reeaua de agregate care se opune contraciei pietrei de ciment. Aceste microfisuri pot s apar: - la suprafaa de contact agregat - piatr de ciment (microfisurile de aderen), - n interiorul pietrei de ciment - n interiorul agregatului. Microfisurile iniiale constituie motivul de baz al degradrii structurii betonului sub efectul ncrcrilor, dezvoltarea lor ducnd la ruperea betonului. Legatura existent ntre porii acestei structuri permeabile, face posibil circulaia apei n masa betonului, oricare ar fi vrsta acestuia. Proporia dintre componentele pietrei de ciment se modific n timp, datorit: continurii procesului de hidratare i hidroliz, reducerii cantitii de ap, creterii volumului de goluri (fig. 2.2).

Fig. 2.2 Modificarea volumului fazelor din piatra de ciment Proprietile betonului ntrit depind att de componenii lui, ct i de caracteristicile prezentate de interfaa agregat - piatr de ciment, adic de: forele de legtur (aderen) dintre agregate i piatra de ciment; prezena porilor, a unor microfisuri iniiale de contracie sau a golurilor de sedimentare de sub agregate, care constituie discontinuiti n masa betonului (defecte de structur). Proprietile nsumate ale componenilor ineri (agregate i nuclee nehidratate de ciment) i activi (produse de hidratare) determin: - densitatea aparent, - porozitatea, - coeficientul de dilatare termic. Caracteristicile prezentate de interfaa componenilor ineri i activi determin: - valorile rezistenelor la diferite solicitri, - valorile modurilor de deformaie, - valoarea deformaiei de curgere lent etc.

2.2. REZISTENELE BETONULUI3

Analiza comportrii sub efectul aciunilor se poate aborda la diferite nivele: nivelul structurii n ansamblu; nivelul elementelor de rezisten care compun structura; nivelul materialelor componente ale elementelor de rezisten. Al treilea nivel este baza pe care se cldete studiul la nivelele superioare i se refer n principal la proprietile fizico-mecanice ale materialelor. n cazul de fa ale betonului. Acest nivel se poate subdivide n: nivelul macroscopic sau ingineresc bet. e consid. un corp omogen i continuu; nivelul structural bet. este tratat ca un sist. bifazic, format din agregate i piatr de ciment, legate prin aderen; nemaifiind valab. ipoteza omogenitii; nivelul atomilor - nu mai este valabil nici ipoteza continuitii. Calculul clasic al elementelor structurale se refer de obicei la nivelul ingineresc. Comportarea betonului se modeleaz la nivel structural, de exemplu, cu metoda elementelor finite. Modelarea se poate face att n ipoteza ideal a rspunsului elastic, ct i n ipoteza comportrii inelastice. 2.2.1. Ruperea betonului Ruperea betonului, material cu o structur eterogen, este influenat de: rezistenele materialelor componente, ct i de legtura existent ntre ele. este cauzat de distrugerea legturilor dintre componentele betonului. Explicarea fenomenelor care nsoesc ruperea betonului se bazeaz pe concluziile cercetrilor experimentale, efectuate pe probe din beton supuse la diferite solicitri. Solicitrile influeneaz rezistenele betonului prin urmtoarele caracteristici: starea de eforturi creat: solicitare mono-, bi- sau triaxial; modul de aplicare al aciunilor: -aciuni statice, cu intensit. const. n timp, monoton cresct. sau cu variaii lente n timp; -aciuni dinamice, cu intensit. variab., n timp scurt, alternnd ciclic ntre o valoare maxim i una minim ntr-o perioad ndelungat, sau aplicate sub form de ocuri; durata de aciune: -solicitri de scurt durat (timp de aciune sub o or); -solicitri de lung durat (acioneaz mai mult de o or). 2.2.1.1. Ruperea betonului la compresiune sub efectul ncrcrii de scurt durat Probele din beton (prism, cilindru sau cub), sunt ncercate la compresiune monoaxial prin aplicarea unei fore statice cresctoare de scurt durat. Ruperea betonului la compresiune axial se produce prin decoeziune, cnd se atinge def. specific max. de ntindere perpendicular pe direcia aciunii. Ruperea are un caracter treptat: - ncepnd cu dezvoltarea microfisurilor de aderen, - continund cu propagarea i apoi generalizarea lor n masa betonului (apar fisuri orientate paralel cu direcia de aciune a forei) - i n final se produce decoeziunea lateral a betonului. Pe parcursul ncrcrii probei, se ms. - deformaiile longit. de compresiune b4

- def. transv. de ntindere t , ceea ce permite urmrirea variaiei volumului i a coeficientului def. transversale (coeficientul lui Poisson), dat de relaia: = t / b (2.1) Corelaia pentru prisma comprimat axial este prezentat n figura 2.4. n continuare se prezint analiza structural a ruperii unei probe prismatice (fig. 2.3a). Dac se consider volumul probei nainte de ncrcare Vinit = ha2, pentru o etap oarecare, n urma deformaiilor suferite i innd seama de expresia coeficientului lui Poisson, volumul este: V = (1 b ) (1 + t ) (1 + t ) ha 2 (2.2) 2 2 V = (1 b ) (1 b ) (1 b ) ha = [1 b (1 2)] ha = Vinit V (2.3) Pe parcursul ncrcrii, b crete de la 0 la circa 2 mm/m. Coeficientul lui Poisson, o caracteristic a comportrii elastice, are valorile 0,15...0,20 pentru betonul comprimat. Dac produsul b (1 2) este pozitiv, volumul probei scade, iar dac este negativ, volumul crete. Dup cum se observ, acest lucru se produce dac 2 >l,0, deci pentru valori ale coeficientului lui Poisson ce depesc domeniul elastic.

Fig. 2.3 Ruperea la compresiune n funcie de tipul predominant de deformaii i de mrimea eforturilor unitare, se disting trei etape. Faza de comportare elastic, pentru 0 < b R 0 . Vol. prismei scade liniar, datorit nchiderii porilor i a microfisurilor perpendiculare pe direcia de aciune a forei (fig. 2.5, zona 1), deci compactitatea probei crete pe direcie longit.. Deformaiile specifice de compresiune sunt n cea mai mare parte elastice. n aceast faz apar i def. plastice, deoarece pe msura creterii ncrcrii, microfis. de aderen existente, orientate dup direcia forei, ncep s se propage treptat pe lng agregate i s se deschid. Aceste def. au ns valori neglijabile comparativ cu def. elastice. Coef. lui Poisson este ct., = 0,15.. .0,2.

5

Fig. 2.4 Curba a betonului supus la compresiune

Fig. 2.5 Variaia volumului prismei comprimate

Val. efortului unitar normal de compres. pn la care se poate admite comportarea elastic a bet., deci fr modificri structurale, se numete rezisten la microfisurare Ro. Depinde de calitatea bet., fiind procentual mai mic pentru betoanele de calitate mai slab: R0 = (0,3...0,15)Rpr (2.4) Faza de comportare elastico-plastic, pentru R 0 < b R c r .Volumul bet. Scade (lent), deoarece tendina de ndesare a betonului pe direcia de ncrcare este mai pronunat dect tendina de afnare prin umflare lateral. (fig. 2.5, zona 2). Microfis. de aderen se deschid i se propag n punile de ciment dintre agregate, datorit depirii rezistenei la ntindere a pietrei de ciment (fig.2.3b). Fisurile de mic deschidere sunt izolate, nu strbat epruveta de la un capt la altul i sunt orientate paralel cu direcia de aciune a ncrcrii. Microfisurarea bet. este nceputul procesului de rupere, deoarece def. ireversibile produse astfel, de tipul celor plastice, au valori semnificative. Def. transv. n aceasta etap cuprinde, pe lng deformaiile specifice de ntindere ale betonului, deschiderile microfisurilor intersectate pe direcia de msurare. n consecin, raportul t / b , determinat cu relaia 2.1, crete din ce n ce mai mult, depind valoarea real a coeficientului lui Poisson, corespunztoare comportrii elastice. Volumul epruvetei atinge minimul pentru valoarea teoretic maxim = 0.5 . Efortul unitar normal de compresiune corespunztor are valoarea b = R c r , R c r este rezist. critic a bet., depirea ei conduce la declanarea rapid a ruperii. Dac efortul unitar b < R c r , dei s-au produs deformaii ireversibile, n beton nu s-a atins un nivel critic al degradrilor. R c r = (0,85 ... 0,95 ) R p r (2.5) R c r < b R p r . Volumul bet. crete rapid (tendina Faza final de rupere, pentru de afnare) (fig.2.5, zona 3). Microfis. i fisurile de dimensiuni reduse, se unesc n fisuri longit. care strbat toat prisma, fragmentnd-o (fig.2.3c). n aceast faz, predomin def. plastice i n beton se atinge un nivel critic al degradrilor. Val. max. a ef. unitar de compres., pt. care def. specifice longit. c sunt de aprox. b 0 2 /00, definete rezist. prismatic la compresiune sub ncrcri statice de scurt durat:

R pr =

b m a x2,0 / 0 0

(2.6)6

Deformarea epruvetei se produce n continuare, cu scderea ef. unitar de compres., pn la atingerea def. specifice max. de compres., bu (ramura descendent b b ), cnd are loc ruperea, cu aspect de zdrobire. De fapt, def. specifice de compres. msurate dup depirea limitei Rpr sunt pseudoplastice, cuprinznd i deschiderile microfisurilor. Analiza suprafeelor de rupere arat c acestea trec prin piatra de ciment, pe lng agregate sau prin agregatele de calitate mai slab. Prisma ncercat la compresiune prin oc se rupe la valori de pn la 1,8 Rpr din cauz c def. plastice nu au timp s se dezvolte. Dac ocul produce eforturi egale cu rezistena prismatic sub ncrcarea de scurt durat, epruveta nu se rupe i permite repetarea ocurilor n cteva cicluri, pn ce procesul de degradare descris mai sus duce la rupere, cu condiia ca ncrcarea s aib o intensitate din ce n ce mai mic. Aceast situaie poate s apar n construciile din beton armat supuse la aciuni reprezentate de un numr relativ redus de cicluri aplicate impulsiv. n cazul ncrcrilor statice de lung durat, procesul de rupere este influenat de apariia fenomenului de oboseal static, determinnd scderea rezistenei de rupere pn la nivelul rezistenei prismatice de durat. Rezistena prismatic de durat coincide practic cu rezistena critic dat de relaia (2.5): R p r ,d = R c r = (0,85 ... 0,95 ) R p r . Aceast scdere a rez. se poate explica prin faptul c ncrcrile de lung durat favorizeaz dezvoltarea degradrilor structurale ireversibile, datorate deformaiilor plastice. 2.2.1.2. Ruperea betonului la ntindere n cazul solicitrii unei prisme din bet. la ntindere axial (fig. 2.6a), def. specifice de ntindere se dezvolt pe direcia de aciune a ncrcrii, fiind mai evident caracterul de rupere prin smulgere. Afnarea bet. apare chiar de la nceputul ncrcrii prismei, prin propagarea microfisurilor de aderen perpendiculare pe direcia forei de ntindere, spre deosebire de compresiune, unde la nceput volumul epruvetei scade. Ruperea bet. la ntindere este influenat mai puternic de discontinuitile existente n masa betonului dect ruperea la compres. Microfisurile sau porii din masa pietrei de ciment cauzeaz concentrri de eforturi la capetele lor (fig. 2.6b). Valoarea ef. unitare normale n aceste zone este de 2... 3 ori mai mare dect valoarea medie n cazul unei distribuii uniforme pe seciune. Dup depirea local a rezist. la ntindere, apar microfisuri lng goluri, care se deschid relativ rapid. Ruperea se produce: - la valori reduse ale ef. unitar, rezist. la nt. e de 10...20 de ori< rezist. la compres. - se produce printr-o singur fisur de separare a epruvetei, perpendicular pe direcia ntinderii i formata n seciunea cea mai slab. - supraf. de rupere trece prin piatra de ciment, prin agregatele mai slabe sau pe lng agregate, la interfaa dintre granule i piatra de ciment. Curba (figura 2. 7) pentru bet. ntins axial are o ramur ascendent, pn la atingerea rezistenei la ntindere Rt, cnd def. specific de ntindere este de aproximativ 0,10/00; ramura descendent corespunde creterii deformaiilor, nsoit de scderea rapid a efortului unitar de ntindere. Pn la atingerea valorii maxime a ef. unitar de nt., n element se dezvolt microfisuri n toat masa lui, dac ns ntr-o seciune este atins rezistena la ntindere, toate deformaiile se concentreaz n aceast zon, iar restul microfisurilor nu se mai dezvolt sau chiar se nchid.7

Fig. 2.6 Ruperea betonului la ntindere

Fig. 2.7 Curba a betonului supus la ntindere

O particularitate a comportrii la ntindere este deci localizarea deformaiilor n zona de rupere, n timp ce restul materialului se descarc. Ramura ascendent a diagramei b t t poate fi considerat liniar, deci descriind o comportare elastic, iar ramura descendent reprezint de fapt o fals deformaie specific, egal cu deschiderea fisurii n zona de rupere. 2.2.1.3. Ruperea betonului la forfecare Solicitarea de tiere este foarte frecvent, nsoind de obicei ncovoierea sau compresiunea excentric. n elementele din beton armat apare deci situaia n care betonul este supus la forfecare. Pentru o grind de beton ncovoiat, nainte de fisurarea betonului ntins, starea de eforturi unitare pe nlimea seciunii transversale este cea corespunztoare unui material elastic (fig. 2.8a). La nivelul axe neutre, unde = 0 i = max , solicitarea este de tiere pur (fig.2.8b). Reprezentarea grafic a strii de tensiune pentru tierea pur prin cercul lui Mohr este dat n figura 2.8c. Ruperea la forfecare se produce teoretic dac efortul unitar tangenial maxim max = 1 = 2 atinge valoarea rezistenei de forfecare Rf . Eforturile unitare principale i 1 2 tind spre valorile rezistenei la ntindere Rt, respectiv de compresiune Rc. Mrimea rezistenei la forfecare este situat ntre cele dou valori de mai jos Rt < Rf