Деформативность бетона

Деформации могут быть силовые, развивающиеся под действием внешних сил, и температурно-влажностные, развивающиеся, в результате взаимодействия бетона с внешней средой.

Деформации бетона под нагрузкой. Различают силовые деформации при однократном кратковременном, длительном, а также многократно-повторном нагружениях.

Рисунок 1.3 – Диаграммы деформирования бетона: а) – при ступенчатом нагружении; б) – кривая полных деформаций; в) – при длительном нагружении; I – полные деформации; II – при мгновенном нагружении

1. Деформации при однократном кратковременном нагружении. Наибольшее практическое значение имеют деформации при осевом сжатии. Если бетонную призму нагружать по этапам, замеряя деформации дважды: сразу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой, то на диаграмме «» получают ступенчатую линию (рис. 1.3,а). Полные деформации будут складываться из упругих _е, возникающих непосредственно после приложения нагрузки, и пластических _Р1, развивающихся во времени. Кривая полных деформации показана на рис. 1.3,б. Из диаграммы видно, что при небольших напряжениях () бетон можно рассматривать как упругий материал (участок 0—/). При возникают неупругие деформации, вызванные уплотнением геля (участок /— 2). После образования микротрещин R_b,crc рост пластических деформаций становится более интенсивным (участок 2—3). При дальнейшем увеличении нагрузки микротрещины объединяются и образец разрушается — точка 4 соответствует предельному сопротивлению образца R_b и деформациям _ь,си. Если по мере падения сопротивления бетона удается в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы (4—5). Знать, как работает бетон на этом участке, важно для ряда конструкций и видов нагружения.

При разгрузке с некоторого уровня напряжений, соответствующего восходящей ветви, до нуля в образце будут иметь место остаточные деформации, которые со временем несколько уменьшаются (примерно на 10%). Это явление называется упругим последействием _ер. Характер диаграммы «» бетона при растяжении аналогичен рассмотренному (рис. 1.3,б).

Связь между напряжениями и деформациями при небольших напряжениях () устанавливается законом Гуна =ь/Е_b, где Е_b — начальный модуль упругости, Е_b = tg=_b/ь (см. рис. 1.3,б). Модуль упругости зависит от марки бетона (см. табл. 2.1). При _b >0,2 R_b (зависимость «» нелинейная, модуль в каждой точке диаграммы — переменный, Е_b =d/d= tgи определение полных деформаций является затруднительным.

Для практических расчетов было предложено выражать напряжения через полные деформации бетона с помощью упругопластического модуля деформаций Е_b,pl = tg(см. рис. 1.3,б).

Выразив одно и то же напряжение в бетоне через упругие и полные деформации, получают

откуда (1.5)

где — коэффициент, характеризующий упруго-пластическое состояние сжатого бетона; он изменяется от 1 (при упругой работе) до 0,45 при кратковременном нагружении; при длительном действии нагрузки = 0,1...0,15.

При растяжении (1.6)

где _t— коэффициент, характеризующий упругопластическое состояние бетона при растяжении, _t = 0,5. Модуль сдвига бетона:

(1.7)

где — коэффициент поперечных деформаций, для всех видов бетонов = 0,2, при этом G_b =0,4Е_b.

2. Деформации при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается в первые 3...4 мес.

Ползучестью называют свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки. Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная ползучесть имеет место при b < 0,5 R_b и обусловлена главным образом уплотнением геля. При этом происходит перераспределение под нагрузкой напряжений с гелевой структуры на цементный камень и заполнители. Увеличение деформаций ползучести примерно пропорционально увеличению напряжений. При b > 0,5 R_b в бетоне возникают микротрещины, линейная зависимость нарушается, наступает нелинейная ползучесть,

Ползучесть бетона затухает во времени, так как вследствие перераспределения усилий напряжения в геле снижаются, а упругость кристаллического сростка возрастает.

Опыты показывают, что независимо от того, с какой скоростью v достигнуто напряжение b, конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми (рис. 1.3,в).

Деформации ползучести увеличиваются с уменьшением влажности среды, увеличением В/Ц и количества цемента. Бетон, нагруженный в более раннем возрасте, обладает большей ползучестью. С повышением прочности бетона и прочности заполнителя ползучесть уменьшается. У малых образцов при прочих равных условиях ползучесть проявляется сильнее, чем у больших.

Для аналитического описания явления ползучести предложены различные теории. Однако полученные на их основе математические зависимости сложны для использования в практических расчетах и в большинстве своем справедливы лишь для определенных условий. Поэтому на практике применяют упрощенные, линейные зависимости, связывающие напряжения в бетоне с деформацией ползучести. Правомерность такого подхода подтверждается и тем обстоятельством, что при эксплуатационных нагрузках в большинстве конструкций напряжения в сжатом бетоне b < 0,5 R_b, т.е. имеет место линейная ползучесть.

Для количественного определения деформаций ползучести при сжатии обычно вводят понятия меры и характеристики ползучести.

Мера ползучести С_t представляет собой относительную деформацию ползучести в момент времени t, соответствующую приращению напряжения 0,1 МПа. При напряжениях в бетоне b

(1.8)

• Характеристика ползучести равна отношению деформаций ползучести в момент времени t к мгновенной деформации

(1.9)-

Предельные значения С_t и будут при t=•( С_{t =}=С; =). Между мерой и характеристикой ползучести существует связь

откуда . Значения для обычных тяжелых бетонов изменяются в пределах 1...4.

Предельные деформации бетона, т.е. деформации перед разрушением, зависят от многих причин и изменяются в значительных пределах. Для расчетов принимают: при осевом кратковременном сжатии = 2·10^-3, длительном = 2,5·10^-3, при изгибе и внецентренном сжатии = 3,5·10^-3, при центральном растяжении =1,5·10^-4.

Деформации при многократно-повторных нагружениях. Многократно-повторные нагружения и разгрузки бетонных образцов приводят к накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого количества циклов пластические деформации достигают предельного значения и бетон начинает работать упруго. Такой характер работы имеет место, когда напряжения в бетоне не превышают предела выносливости. При больших многократных напряжениях неупругие деформации возрастают, вызывая разрушение образца.

Температурно-влажностные деформации бетона:

1. Деформации бетона от действия температуры. Твердение бетона сопровождается выделением теплоты, и при последующем неравномерном остывании появляются значительные температурные деформации. Температурные деформации возникают также в конструкциях, подверженных атмосферным воздействиям или изменениям технологических температур. Особое значение имеют температурные воздействия на бетон массивных конструкций (например, гидротехнических) и статически неопределимых систем большой протяженности, вызывая дополнительные усилия в элементах (см. рис. 11.4). Определение температурных деформаций бетона производят по формулам сопротивления материалов, принимая средний коэффициент линейной температурной деформации при —50°С<t<+50°С равным 1·10^-5 град^-1.

2. Влажностные деформации бетона. Бетон, твердея в различных средах, изменяет свой объем.

Свойство бетона уменьшаться в объеме при твердении в сухой среде называют усадкой, при твердении во влажной среде бетон увеличивается в объеме — происходит набухание. Различают усадку обратимую — связанную с испарением свободной воды в цементном камне и обусловленную капиллярными явлениями (натяжением менисков в порах бетона), и необратимую, происходящую в результате потери химически связанной влаги на гидратацию цемента и, как следствие, уменьшения объема геля.

Усадка зависит от возраста бетона: наиболее интенсивно она протекает в первые дни, затем постепенно затухает. Усадка тем больше, чем больше содержание в бетоне цемента, воды и чем ниже влажность окружающей среды. При твердении в воде увеличивается количество свободной воды в цементном камне, что вызывает явление, обратное усадке, — набухание.

Усадка повышает сцепление бетона с арматурой, вызывая ее обжатие, что является положительным фактором. Однако неравномерная усадка разных слоев бетона (у поверхности — в большей степени, во внутренних слоях— в меньшей) приводит к наличию «собственных» напряжений (внутренние слои препятствуют свободной усадке поверхностных слоев, в результате чего в последних возникает растяжение) и возникновение усадочных трещин, что нежелательно. Особенно существенно влияние усадки в массивных конструкциях.

Снижение усадки достигается подбором состава бетона (уменьшением объема пор), увлажнением поверхности в период вызревания бетона (особенно в первые дни) и т. п.