Файл: Черкасов, Г. И. Введение в технологию бетона.pdf

В нормах за характеристику упругости бетона принимает­ ся начальный модуль упругости, который представляет собой отношение величины напряжения к величине деформации, причем величина напряжений должна быть менее 20% приз­ менной прочности. Условно считается, что при таких напря-. жениях и кратковременной нагрузке пластические деформа­ ции в бетоне еще очень малы и между напряжением и дефор­ мацией существует линейная зависимость.

Начальный модуль упругости бетона увеличивается с уве­

ная, зависящая от напряжения, н может быть выражен тан­ генсом угла наклона касательной, проведенной в точке с рас­ сматриваемым напряжением,

Ег,деФ =^а.

В. В. Мурашев предложил пользоваться модулем упругопластичности бетона Еб', определяемым тангенсом угла на­ клона секущей, проведенной из начала координат к данной точке,

E6/==tgai.

Очевидно, что

Еб'-вб=Еб-еу:

отсюда

Еб' = Е6ч

Вводя понятие коэффициента пластичности бетона'/— — , £б

получим

Еб~(1—1')Е6.

X зависит от величины напряжений и длительности дейст­ вия нагрузки, изменяется от 0 до 0,8 и является важной рас­ четной характеристикой упруго-пластических свойств бетона.

Деформативные свойства бетонов зависят от соотношения количества щебня и раствора и их упругих свойств.

А. С. Дмитриевым предложена формула для расчета мо­ дуля упругости бетона:

р _______Ез-Ер______

Сб— Ез-Ур-Кр+'Ер.Уз-Кз ’

126

где Е3 и Ер —- модули упругости крупного заполнителя и раст­ вора;

V» и Vp — относительные объемы заполнителя и раствора в бетоне;

Кз и Кр — коэффициенты, характеризующие отличие сред­

Как следует из приведенной зависимости, введение в

раствор значительного количества высокопрочного щебня способствует повышению модуля упругости бетона.

Другие виды деформации бетона

Предельные деформации бетона, при которых начинается разрушение, зависят от его марки и длительности приложения нагрузки. Обычно предельная сжимаемость тяжелых бетонов колеблется в пределах от 0,8 до 3 мм/м, в среднем ее прини­ мают равной 2 мм/м. Предельная растяжимость бетона в 10— 20 раз меньше, в среднем ее значение равно 0,1 мм/м.

Коэффициент Пуассона, коэффициент поперечной дефор­ мации бетона v, при нагружении бетона до предела трещинообразования колеблется от 0,Д до 0,3; по нормам его принима­ ют 0,15.

Коэффициент линейного расширения бетона при охлаж­ дении и нагреве в среднем принимают равным 10-10~6 11градг что почти соответствует коэффициенту линейного расширения стали (р=12-10~6 Мград). Это обстоятельство чрезвычайно важно для совместной работы стальной арматуры и бетонно­ го камня в железобетоне.

Указанное положение нарушается при замораживании на­ сыщенного водой железобетона, в котором деформации арма­ туры и бетона не совпадают не только по величине, но и по знаку, что приводит к развитию значительных внутренних напряжений, могущих вызвать разрушение конструкций.

Усадка и набухание

При твердении бетонных изделий на воздухе они посте­ пенно уменьшаются в объеме — происходит усадка, при твер­ дении в воде несколько увеличиваются в объеме — происходит набухание.

В первые один-два дня твердения, когда цементный камень не обладает еще достаточной прочностью, усадка связана с

120

контракцией и усилением действия капиллярных сил вследст­ вие испарения воды; при этом бетон сравнительно легко не­ обратимо деформируется без развития существенных внут­ ренних напряжений. При дальнейшем твердении усадка про­ должается; она, как и раньше, связана с удалением воды из цементного камня; ее интенсивность зависит от относитель­ ной влажности воздуха и может быть качественно представ­ лена графиком (рис. 46).

Рис. 46. Принципиальная зависимость усадки бетона от влажности среды.

В настоящее время нет общепризнанной теории о причинах деформаций при высыхании или увлажнении цементного кам­ ня и бетона. Большинство ученых считают, что причиной

127

в-ития усадки соответствуют содержания воды в бетоне по объему от 12 до 30%, что наблюдается при относительной влажности воздуха 70—98%. При этом влага в бетоне испа-

О

ряется из капилляров и пор радиусом от 200 до 1000 А. Это именно те размеры пор, при которых .наиболее интенсивно действуют капиллярные силы. При уменьшении пор, запол­ ненных водой, до размеров, соизмеримых с размерами моле­ кул, капиллярные силы перестают действовать, прекращается и усадка (участок Г). Наконец, на участке Д при объемной влажности бетона 3—5% наблюдается .наибольшая усадка, к которой капиллярные силы непричастны if которая может быть объяснена только удалением межкристаллической ад­ сорбционной воды новообразований. Поскольку влажность бетона в 3—5% возможна только в особых условиях работы конструкций при относительной влажности воздуха менее 40%, то практически на усадочные явления в бетоне оказы­ вают влияние сжимающие усилия на стенки микрокапилляров, развивающиеся с .увеличением испарения капиллярной воды.

Усадка выражается тем сильнее, чем больше в бетоне це­ ментного камня, больше исходное В/Ц, а в цементном камне больше гелевой составляющей. Полное значение усадки для цементного камня составляет 9—15 мм3/м3, или при линейном выражении 3—5 мм/м.

Наличие в растворе и бетоне, помимо цементного камня, скелета заполнителей уменьшает усадку: так, для цементнопесчаных растворов ее .значения составляют 0,6— 1 мм/м, для бетонов 0,2—0,5 мм/м. Уменьшение усадки в бетоне, с одной стороны, улучшает условия работы конструкций, с другой, вызывает увеличение в них внутренних напряжений.

Неравномерность усадки внешних и внутренних слоев в массивных бетонных сооружениях вызывает появление уса­ дочных трещин. Для их предотвращения необходимо увлаж­ нять поверхности, конструкций до набора бетоном 40—60% марочной прочности.

Бетонные изделия, /подвергнутые тепловой обработке, име- 1бт пониженное значение усадки; особенно эффективна авто­ клавная обработка, понижающая усадку бетонных изделий в 2—3 раза. Указанные явления связаны с «огрублением» геля, т. е..увеличением размеров его частиц и кристаллической час­ ти цементного камня.

При длительном нахождении цементного камня в воде осмотическое давление в гелевых оболочках вызывает их на-

бухание, разрывы и в связи с этим усиление гидратации час­ тиц цемента, что вместе взятое и вызывает объемное увеличе­ ние цементного камня и бетона — их набухание. Деформации набухания положительно влияют на качество бетона, вызывая его самоуплотнение; внешне эти деформации проявляются в 5—10 раз слабее, чем деформации усадки.

Эластические деформации, ползучесть и релаксация напряжений в бетоне

Рассмотрим поведение бетона как упруго-вязко-пластично­ го тела во времени при постоянном напряжении и затем при постоянной деформации.

Для упрощения выводов будем рассматривать по отдель­ ности составляющие модель Шофилд—Скотт-Блера тела Кельвина и Максвелла (рис. 48).

Е

П

П

Р ис. 48. Реологические модели тел Кельвина и Максвелла

130

Полное напряжение в теле Кельвина (а) будет склады­ ваться из напряжений в упругом и вязком элементах

a= E-e-f Ti­de

d t

если о = Const = сто, то

de __dt

<*о— Е е - ■'l

Интегрируя в пределах времени от 0 до t, получим

Это уравнение свидетельствует о том, что при действии на бетон постоянной нагрузки происходит эластическая дефор­

мация, которая стремится к значению -g*-.

В теле Максвелла общая скорость деформации равна сумме скоростей деформации упругого и вязкого элементов

Из уравнения видно, что при неизменной деформации на­ пряжения в теле падают по экспоненциальному закону. Это свойство упруго-вязкой среды носит название, релаксации напряжений.

Время t = -g~, в течение которого напряжения падают в е

раз, носит название' времени релаксации.

Аналогично можно доказать, что при неизменном напря­ жении в упруго-вязкой среде по экспоненциальному закону будет происходить развитие деформаций во времени. Это свойство получило название плавучести, или крипа.

Нетрудно заметить, что и ползучесть, и релаксация напря­ жений представляют собой две стороны одного явления, вы-

званного вязким течением среды, что может -быть выражено графиком (рис. 49).

Явление ползучести бетона еще мало исследовано. Некото­ рые ученые объясняют ползучесть перераспределением ка­ пиллярной и адсорбционно-связанной воды в цементном кам­ не под влиянием длительной нагрузки и вызываемыми этим деформациями усадки и набухания геля.

под длительным действием нагрузки происходит вязкое тече­ ние гелевой составляющей цементного камня с перераспреде­ лением напряжений на кристаллическую фазу, что вызывает развитие в ней микротрещин; внешним проявлением этих про­ цессов и являются деформации ползучести. Как следует из приведенного выше уравнения ползучести и графика (рис. 49), она наиболее интенсивно развивается в первые сроки после нагружения бетона, затухая со временем по экспоненциаль­ ному закону.

В зависимости от величины приложенной нагрузки дефор­ мации стабилизируются во времени или же развиваются и мо­ гут вызвать разрушение бетона.

132

При длительных нагрузках, величина которых вызываег напряжения менее 50—60% предела прочности бетона при сжатии, развитие деформации ползучести носит линейный ха­ рактер без видимого нарушения микроструктуры бетона. При увеличении нагрузки наблюдается значительное увеличение деформаций ползучести и развитие микротрещин, а при зна­ чении напряжений, равном 0,8—0,9 предела прочности бетона, он может постепенно разрушиться.

Затухание ползучести во времени связано с увеличением вязкости гелевой составляющей цементного камня, ее уплот­ нением, развитием кристаллических образований и перерас­ пределением напряжений на них.

Величина ползучести возрастает с увеличением количества цементного камня в бетоне, при повышенном содержании гелевидной составляющей в цементном камне, повышенных значениях водоцементного отношения, работе затвердевшего бетона в водонасыщенном состоянии.

Ползучесть уменьшается у бетонов после тепловлажностной и особенно после автоклавной обработки. Влияние этих факторов на структуру бетона было объяснено при рассмот­ рении усадки бетона.

Усадка и ползучесть бетона имеют много общего, как свойства, присущие в основном гелевидной части цементного камня. И усадка, и ползучесть наиболее интенсивно проявля­ ются в первые три-четыре месяца и постепенно затухают, почти прекращаясь к полутора-двум годам твердения бетона. Однако усадка происходит как самопроизвольная объемная деформация, а ползучесть — как линейная деформация под действием внешних сил.

Ползучесть бетона имеет большое практическое значение для работы конструкций. В массивном бетоне она снижает напряжения от усадки и температурных градиентов, в желе­ зобетонных конструкциях уменьшает напряжения в бетоне и передает их на арматуру, но в то же время увеличивает про­ гиб изгибаемых элементов, в напряженно-армированных конструкциях вследствие ползучести могут происходить значи­ тельные потери предварительного напряжения арматуры.

Ползучесть бетона обычно выражается величиной «харак­ теристика ползучести» <р, представляющей собой отношение полной деформации ползучести к упругой деформации при действующем напряжении а :

133