Деформативные свойства бетона
|
Величина деформаций бетона и твердения конструкций обусловливают объемно-напряженное состояние бетона и зависят от особенностей нагружения бетона в конструкциях и сооружениях, его структуры и состава, свойств отдельных компонентов, воздействия окружающей среды. Деформации бетона могут быть разделены на две группы: - возникающие при действии внешней нагрузки (силовые); - обусловленные способностью бетона изменять объем под влиянием изменения температуры, влажности окружающей среды, различных физико-химических процессов (собственные). Деформации первого типа возможны при однократном действии кратковременной нагрузки и при многократном и длительном нагружении. Полная деформация бетона (рис. 11.15) в определенный момент времени ετ составляет:  где εу - упругая деформация; εпл - пластическая деформация; εус - деформация усадки. Бетон не подчиняется закону Гука и имеет диаграмму сжатия криволинейного очертания (рис. 11.15), причем кривизна увеличивается с ростом напряжений.  При нагружении различных материалов в механике сплошных сред принято рассматривать в виде констант две характеристики упругости: отношение напряжения к величине деформации - модуль упругости Eб и коэффициент поперечной деформации μ (коэффициент Пуассона). Для бетона эти характеристики изменяются в процессе нагружения и по мере повышения уровня напряжений а имеют место все большие отклонения объемной деформации в от закона упругого изменения объема материала:  Строго говоря, термин “модуль упругости” (модуль Юнга) относится непосредственно только к прямолинейному участку диаграммы напряжение-деформация. Этот начальный (мгновенный) модуль упругости имеет сравнительно небольшое практическое значение. Обычно для бетона модуль упругости или модуль деформации определяют как тангенс угла наклона секущей к кривой σ-ε. По мере роста напряжений значение Eб уменьшается. При расчете элементов железобетонных конструкций в ряде случаев учитывают предельные деформации бетона при кратковременной нагрузке, т.е. такие деформации, которые могут быть достигнуты к моменту потери бетоном несущей способности или нарушения сцепления с арматурой. Для бетона, к которому предъявляют повышенные требования по трещиностойкости, предельные деформации, нормируют. Например, для гидротехнического массивного бетона в 180-суточном возрасте предельную растяжимость принимают не менее 5*10в-5 для бетона внутренних зон и 7*10в-5 - внешних. Зависимость между напряжениями и деформациями изменяется от времени приложения нагрузки. Способность бетона деформироваться во времени при длительном действии постоянной нагрузки называют ползучестью. Существует ряд гипотез, рассматривающих механизм деформаций ползучести под действием внешней нагрузки, как результат действия капиллярных сил (Е. Фрейсине), механического выдавливания влаги из цементного камня (Р. Лермит), вязкого течения в точках контакта цементных зерен (У. Генсен) и др. При напряжениях, превышающих 50-60% предела его прочности при сжатии, в бетоне быстро развиваются микротрещины и пластические деформации ползучести становятся нелинейными. При снятии нагрузки деформации ползучести частично восстанавливаются. Необратимая (вторичная) часть деформаций обусловлена возникновением и развитием в бетоне микротрещин. В качестве меры ползучести (Cm) принимают удельные деформации бетона в определенном возрасте (εnз) на единицу постоянно действующего напряжения (σ0):  Комплекс факторов, влияющих на деформации ползучести, можно разделить на факторы технологического характера и характеризующие условия загружения (рис. 11.16).  Наиболее существенное влияние на конечное значение Cm оказывает В/Ц. Деформации ползучести бетона оказывают различное влияние на работу конструкций, их долговечность. Для неармированного бетона при высоких уровнях нагрузки ползучесть ускоряет достижение предельной деформации и разрушение материала. В то же время в конструкциях ползучесть бетона уменьшает внутренние напряжения, обусловленные неоднородностью усадки, что приводит к повышению трещиностойкости. За счет ползучести бетона увеличиваются прогибы железобетонных балок под действием постоянных нагрузок, в железобетонных колоннах она приводит к постепенному перераспределению нагрузки с бетона на арматуру. В предварительно напряженных железобетонных элементах в результате ползучести бетона возможна потеря напряжения арматуры, что надо учитывать при выборе арматурной стали. Собственные деформации бетона обусловлены влажностными, температурными и иными воздействиями на бетон при отсутствии внешней нагрузки. Изменение влажности бетона может вызывать уменьшение, так и увеличение его объема и, соответственно, линейные деформации усадки или расширения (набухания). Увеличение объема - набухание - имеет место при длительном нахождении образцов бетона в воде в результате развития осмотического давления в гелевидных массах. По мере понижения относительной влажности окружающей среды и нарушения гигроскопического равновесия среда-бетон будут происходить испарение воды из материала, и развиваться усадочные деформации. Усадка бетона при изменении его влажности происходит в две стадии: 1) когда бетонная смесь находится в пластичном состоянии (пластическая усадка); 2) по мере твердения и высыхания бетона.  Пластическая или первичная усадка бетона происходит при выделении воды из бетонной смеси в результате седиментационного осаждения твердых частиц, поглощения влаги опалубкой, в дорожных покрытиях - основанием и испарения. Деформации интенсивно развиваются сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и затухают уже через 30-90 мин. Величина пластической усадки зависит от состава бетонной смеси и уменьшается при снижении водосодержания бетонной смеси, расхода цементного теста, применении тонкомолотых водоудерживающих добавок, создании жесткого "скелета" крупного заполнителя. При ненадлежащем влажностном уходе и повышенной скорости испарения воды создаются условия для пластического трещинообразования. Пластическая усадка усиливается с увеличением модуля поверхности конструкций, уменьшением степени армирования. В наибольшей мере сказывается на поведении бетона в конструкциях влажностная или гидравлическая усадка, характерная по мере высыхания бетона. На величину усадки бетона, кроме основного фактора - водосодержания влияют длительность твердения, химико-минералогический состав цемента и его расход, содержание заполнителей и др. (рис. 11.17, 11.18). Усадочные деформации вызывают  в бетоне внутренние напряжения особенно значительные при неравномерном высыхании конструкций и работе их в стесненных условиях. Они могут быть причиной разрывов в контактной зоне и растворной части бетонов и вызывать, особенно в сочетании с температурными напряжениями, появление трещин. Усадочные напряжения неблагоприятно влияют на морозостойкость, непроницаемость, усталостную прочность, вызывают потери предварительного напряжения при натяжении арматуры. Общая усадка цементного камня обычно составляет от 3 до 5 мм/м, в бетоне она колеблется в основном, от 0,2 до 0,4 мм/м. |
