Для восприятия усилий от усадочных и температурных деформаций бетона используется

Обновлено: 01.05.2024

Бетонная и железобетонная крепь стволов шахт не является монолитной в физическом смысле. Затвердевший бетон испещрен по всему объему мелкими трещинами, появляющимися вследствие естественного развития внутренних напряжений в процессе структурообразования еще до приложения внешней нагрузки. Размеры микротрещин не превышают долей микрона; наряду с порами они составляют неотъемлемый элемент структуры бетона. Микротрещины расположены хаотически, обычно не сообщаются между собой и влияют на прочность и проницаемость бетона так же, как и поры.

Обычно под прочностью понимают способность твердого тела воспринимать, не разрушаясь, воздействие внешних сил, под жесткостью — способность противостоять им без существенного изменения формы и размеров. Капитальность и долговечность крепи и армировки вертикальных стволов в сочетании с рациональным использованием материалов могут быть обеспечены только при тщательном исследовании прочности и жесткости их элементов. Однако важнейшее требование к вертикальным стволам — обеспечение прочности крепи и армировки при наименьшей затрате материалов — содержит в себе противоречие, поскольку повышение прочности достигается чаще всего увеличением поперечных размеров конструктивных элементов, в то время как экономия материалов заставляет стремиться к уменьшению тех же размеров. Чтобы разрешить это противоречие, в каждом конкретном случае следует установить оптимальные размеры, т. е. размеры, при которых прочность обеспечивается без излишних запасов и, таким образом, удовлетворяется экономическая сторона вопроса. Для этого необходимо выяснить, какие нагрузки, т. е. какие воздействия, испытывают крепь и армировка, определить внешние и внутренние силы, представляющие собой результат физического взаимодействия частиц, из которых состоят крепь и армировка, и, наконец, выбрать такие их размеры, чтобы эти силы не превышали предельных значений.

Однако проблема прочности (долговечности) чрезвычайно сложна, зачастую по причине грубой оценки прочности. Такое положение объясняется тем, что разрушение крепи и армировки зависит от множества факторов, не всегда изученных и не всегда даже известных. Большую роль играет структура бетона, которая может быть неоднородной и нестабильной, существенно влияние условий эксплуатации — характера внешних и внутренних воздействий, температурного режима ствола, агрессивности внешней среды и др. Зачастую материал крепи и армировки содержит многочисленные повреждения, начиная от микроскопических дефектов и кончая крупными порами и магистральными трещинами.

Наличие пор и микротрещин в цементном камне наряду с полем внутренних напряжений является причиной низкой прочности бетона по сравнению с теоретически возможной.

Относительно легкое разрушение цементного камня при растяжении — отделение одних твердых частиц от других — происходит вследствие неоднородного, «недружного» восприятия волокнами элементарного сечения приложенного растягивающего усилия. Волокна разрываются последовательно, по мере достижения в каждом из них предела прочности (разрываются контакты в кристаллическом сростке). Образование микротрещин начинается при твердении бетона. В дальнейшем на поле напряжений структурообразования накладываются напряжения от температурных и влажностных градиентов, а также от внешних сил, что, в свою очередь, способствует появлению микротрещин.

В настоящее время разработаны методы расчета температурных и влажностных напряжений в бетонных и железобетонных конструкциях с учетом ползучести, роста прочности бетона. В расчетах конструкций эти напряжения суммируются с напряжениями от внешней нагрузки, что значительно приближает расчетные условия к фактическим. При этом, однако, не учитывается значительная неоднородность поля структурных напряжений, отдельные пики в котором достигают значений теоретической прочности материала.

Из-за отсутствия метода расчета структурных напряжений их поле условно принимается равномерным на уровне нуля.. Практически его влияние выражается в различной прочности материалов: чем больше неоднородность поля, тем ниже прочность. Поле структурных напряжений в бетонах весьма неоднородно. Приведенная схема механизма деформации и разрушения бетона позволяет проследить за процессом трещинообразования в бетонных и железобетонных конструкциях при всех возможных сочетаниях нагрузок и температурно-влажностных воздействий. Первичными зачаточными очагами трещин являются микроразрывы, поры и перегородки между ними, испытывающие высокие структурные растягивающие напряжения.

Продолжающиеся длительное время процессы гидролиза и гидратации цемента обычно с избытком компенсируют структурные микроразрушения, и прочность цементного камня со временем возрастает. Ho известны случаи и самопроизвольного спада прочности. Когда под суммарным действием структурных и температурно-влажностных напряжений, а также внешних сил местная деформация удлинения бетона в определенном направлении превысит некоторый предел, который можно назвать действительной растяжимостью бетона, число микротрещин в сечении, перпендикулярном к этому направлению, становится столь большим, что они соединяются между собой, образуя качественно новый элемент в структуре бетона — макротрещину.

В отличие от микротрещин, макротрещина называется в дальнейшем просто трещиной, появляется в результате наложения на внутреннее неоднородное, но в целом изотропное поле структурных напряжений определенно ориентированного напряжения от температурно-влажностных градиентов и внешней силы. Направление последних и определяет положение и направление трещины. В простейшем случае осевого растяжения трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к оси элемента конструкции.

В более сложном случае, например под действием влажностных напряжений, на поверхности бетона образуется вуаль из систем трещин, выявляющих преимущественные направления усадочных деформаций бетона, в свою очередь зависящие от формы сечения конструкции. Трещинообразование обычно не сопровождается значительным ослаблением прилегающего к трещине материала. Твердость, прочность и плотность бетона в бортах трещины после разрыва остаются примерно такими же, какими были до разрыва.

Хотя четкой границы между микротрещинами и трещинами нет (трудно отличить зачаточную, образовавшуюся вследствие соединения нескольких микротрещин, от первичной микротрещины), все же можно отметить их основное различие. Микротрещины распределены в объеме равномерно, не имеют преимущественной ориентации и не сообщаются между собой. Трещины же возникают из-за деформации, имеющей определенное направление, вследствие чего разрывы между структурными микротрещинами, соединяясь в сплошную цепочку, образуют вполне ориентированную поверхность. Минимальное раскрытие трещин соизмеримо с шириной микротрещин. Верхнего предела величины раскрытия трещин в бетонных конструкциях не существует.

В железобетонных же конструкциях, благодаря совместной работе бетона с арматурой, удается соответствующим подбором последней ограничивать максимальную величину раскрытия трещин в пределах допустимой.

Крепь стволов и армировку регулярно подвергают техническому обслуживанию и при необходимости — ремонтам. Производится визуальный осмотр, который иногда дополняется высверливанием кернов, по которым определяют прочностные показатели, модуль упругости, водопроницаемость, иногда используют неразрушающие методы контроля (ультразвуковые и др.). Результаты подобных обследований позволяют получить представление об однородности состава бетона, определить наличие трещин и дефектные участки крепи и армировки.

Повреждения бетона обычно локализуются у поверхности и редко проникают на глубину более чем на 30—40 см.

Основываясь на результатах проверки характера разрушений бетонной крепи стволов шахт, можно сказать, что деструкция бетона вызывается несколькими причинами и прежде всего высокой пористостью, которая приводит к инфильтрации воды (образование дефектов ускоряется присутствием чистой воды, а также вод, содержащих углекислый газ или сульфаты), и низким качеством производства работ по возведению крепи, нарушением технологии при укладке и уплотнении бетонной смеси, плохим сцеплением старого бетона с новым, чрезмерно высоким тепловыделением и др. Среди других причин отметим также опасность воздействия талых и ливневых вод. Нередко вода вымывает большое количество извести. Вымывание происходит довольно медленно, но последствия его очевидны. Опасны отрицательные температуры — обмерзание бетона и его оттаивание.

Ремонтные работы связаны с большими затратами (табл. 4.1) и зачастую охватывают значительные участки ствола при его глубине. Как правило, участки разрушенного бетона расположены вблизи водоносных горизонтов. Локальные дефекты (трещины, температурные нивы, вывалы, места сопряжения бетонных слоев) могут во времени приобрести угрожающие размеры.

Когда ремонт охватывает значительную поверхность крепи, применяют несколько методов. Например:

1) разрушенный бетон разбирают, обрабатывают этот участок, а затем покрывают слоем железобетона толщиной 15—30 см, который анкеруется, расход цемента в смеси составляет 350 кг/м3, в бетонную смесь целесообразно ввести воздухововлекающую добавку, перед укладкой бетона можно наложить слой битуминозного материала или пластика;

2) покрытие из цементного раствора армируется и торкретируется двумя слоями, толщина покрытия составляет примерно 7 см, расход цемента 600 кг/м3, к раствору можно подмешивать воздухововлекающую добавку и винилполиацетат (для улучшения сцепления);

3) применяют также гибкие многослойные покрытия эпоксидными смолами или неопреном, армированные стеклотканью.

Виды деформаций. Под деформативностью бетона понимается изме­нение его формы и размеров под влиянием различных воздействий (в том числе в результате взаимодействия бетона с внешней средой).

Бетон является упруго-пластическим материалом, в котором, на­чиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций (e_e), появля­ются и неупругие остаточные или пластические (e_pl), т.е. полная дефор­мация (e_b) без учёта усадки равна:

В бетоне различают деформации двух основных видов: объём­ные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки или изменения температуры, и силовые, развивающиеся главным образом в направлении действия сил. Силовым продольным деформациям также соответствуют некоторые поперечные деформации бетона; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v равен 0,2 (коэффициент Пуассона). Причём v остаётся практически по­стоянным вплоть до напряжений . При этом относительная продольная деформация будет , апоперечная деформация .

Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности её действия подразделяются на следующие три вида:

- при однократном первичном загружении кратковременной на­грузкой;

- при длительном действии нагрузки;

- при многократном повторяющемся действии нагрузки.

Наибольший практический интерес представляют продольные деформации бетона при осевом сжатии. Для изучения деформативности бетона при сжатии используют бетонные призмы с h/a = 4, чтобы исключить влияние на получаемые результаты сил трения, возникающих между опорными гранями образца и плитами пресса. На боковые грани призм в средней их части по высоте устанавли­вают приборы для замера деформаций (рис. 12, а) или наклеивают электротензодатчики.

Нагрузка к призме прикладывается постепенно по этапам или ступеням (ступень обычно составляет 1/10. 1/20 от ожидаемой раз­рушающей нагрузки). Если деформации на каждой ступени прило­жения нагрузки замерять дважды: первый раз сразу после приложе­ния нагрузки и второй раз через некоторое время после выдержки под нагрузкой (обычно около 5 минут), то на диаграмме полу­чим ступенчатую линию, изображенную на рис. 12, б. Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающие­ся за время выдержки под нагрузкой, неупругие и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно боль­шом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой (рис. 12, б).

Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Длительность загружения обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 13.

Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня напряжений и класса бетона, т. е. .

В связи с этим целесообразно выделить исходные (эталонные) диаграммы, полученные на стандартных призмах, испытываемых скоростью роста деформаций 2%, а затем уже переходить к кор­ректировке (трансформированию) диаграмм. Такая скорость изме­нения деформаций позволяет достигать вершины диаграммы при­мерно за 1 час.

Если по мере падения сопротивления бетона удаётся в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы. Знать как работает бетон на этом участке важно для ряда конструкций и видов нагружения.

Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна , т.е. она состоит из упругой части, равной и неупру­гой , которая после снятия нагрузки практически не исчезает. Точнее небольшая доля неупругих деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки исчезает. Эта часть пластической деформации называется деформацией упруго­го последействия ε_ер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации ε_е1,характеризующая обратимое сплю­щивание пустот цементного камня. Таким образом, после разгрузки бетона окончательно остается остаточная деформация, возникаю­щая из-за необратимого сплющивания пустот цементного камня и излома их стенок ε_рl1 (рис. 13). R₂ – напряжение в момент, пред­шествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная ве­личина).

Рис. 12. К определению продольных деформаций бетона при сжа­тии:

а – опытный образец (призма) с наклеенными на боковых по­верхностях электротензодатчиками; б – диаграмма при при­ложении нагрузки ступенями; 1 – прямая упругих деформаций, 2 – кривая полных деформаций

При невысоких напряжениях ( ) превалируют упругие деформации ( ), а при бетон можно рассмат­ривать как упругий материал. При осевом растяжении диаграмма имеет тот же характер что и при сжатии.

Необходимо обратить внимание на предельные деформации, при которых бетон разрушается (точнее начинает разрушаться). Неза­висимо от режима нагружения за предельное значение деформации бетона принимают величину, соответствующую максимальному на­пряжению. Считают приближенно, что средние значения предель­ных деформаций тяжёлого бетона любого класса составляют при кратковременном действии нагрузки:

- при сжатии е_иЬ = 0, 002 (2 мм на 1 м);

- при растяжении е_иbt = 0,00015 (0,15 мм на 1 м).

Знание предельных деформаций бетона необходимо, так как от их величин зависит диапазон совместной работы арматуры с бето­ном и эффективность её использования.

Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки (t > 60 минут), даже постоянной, неупругие деформации с течением времени значительно увеличива­ются. В реальных же условиях в процессе строительства зданий и сооружений идёт постепенное ступенчатое нагружение железобетонных элементов.

Нарастание неупругих деформаций при длительном действии на­грузки называется ползучестью бетона. Впервые ползучесть бетона была обнаружена И. Самовичем в 1885 г. Деформации ползуче­сти состоят из двух частей: пластической, протекающей почти од­новременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. При длительном загружении бетона постоян­ной нагрузкой, которая меньше разрушающей, диаграмма сжатия выглядит так, как показано на рис. 14, а. Участок 0 - 1 этой диа­граммы соответствует деформации, возникающей при загружении; кривизна этого участка зависит, главным образом, от скорости загружения. Участок 1 - 2 характеризует нарастание неупругих де­формаций при постоянном значении напряжений. Наибольшая ин­тенсивность нарастания деформаций ползучести наблюдается в пер­вые 3. 4 месяца после загружения бетона (рис. 14, б). Они достига­ют к концу этого периода 40. 45% от e_upl,через год они составляют приблизительно 65. 75% от e_upl,и через два года 80. 90%. Затем на­растание этих деформаций по мере приближения к предельной для данных условий величине e_upl постепенно затухает. Замечено, что нарастание деформаций ползучести прекращается одновременно с окончанием нарастания прочности бетона. Опыты показывают, что независимо от того, с какой скоростью достигнуто напряжение σ_ь, конечные неупругие деформации, соответствующие этому напряже­нию, всегда будут одинаковы (рис. 14, в).

Рис. 14. Неупругие деформации бетона в зависимости:

а, б – от длительности действия нагрузки; в – от скорости начального загружения

Деформации ползучести развиваются главным образом в на­правлении действия усилий и могут превышать упругие в 3. 4 раза, т. е. ε_ирl /ε_е - 3. 4. Это обстоятельство заставляет с ними считаться при проектировании железобетонных конструкций.

Одновременно с ползучестью развиваются и деформации усадки, т. е.:

(1.13)

Природа ползучести бетона объясняется его структурой, дли­тельным процессом кристаллизации и постепенным уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит постепенное перераспределение напряжений с испыты­вающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кри­сталлический сросток и зёрна заполнителей. Развитию деформаций ползучести способствуют также капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напря­жений затухает и деформирование прекращается.

Ползучесть бетона условно разделяют на линейную и нелиней­ную. Считают, что линейная ползучесть имеет место при ( – напряжение, соответствующее нижней границе микрораз­рушений). В этом случае деформацию ползучести определяют по формуле:

(1.14)

где с – мера ползучести бетона при сжатии .

В практических расчётах используют обычно предельную меру ползучести бетона с_пр, отнесенную ко времени t → ∞ (практически t = 3. 4 годам). Её значения при для различных сроков загружения бетона приведены в СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы» в табл. 3.

Обозначим через v= ε_е/εь коэффициент упругопластичности бетона, а через λ = ε_pl /εь – коэффициент пластичности бетона, тогда отношение

(1.15)

будет называться характеристикой ползучести бетона φ, которая из­меняется от 0 до 4.

Зависимость между с и φ можно получить из (1.14) и (1.15), учитывая, что , тогда φ = сЕ_b; φ и с вводятся в расчёт для количественной оценки деформаций линейной ползучести при сжатии.

Величина деформации ползучести зависит от многих факторов.

Загруженный в раннем возрасте бетон (при прочих равных усло­виях) обладает большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Техно­логические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увели­чением W/C и расхода цемента на единицу объёма бетонной смеси ползучесть возрастает; с повышением прочности зёрен заполнителя ползучесть уменьшается; с повышением класса бетона ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколь­ко большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны. Ползучесть зависит от вида цемента: наибольшей ползучестью обладают бетоны, при­готовленные на шлакопортландцементе или портландцементе. Пол­зучесть тем меньше (при прочих равных условиях), чем больше размеры поперечного сечения бетонного элемента. Максимальные деформации ползу­чести (при прочих равных условиях) достигаются при водонасыщении бетона в пределах 20. 35%. Пропаривание бетона снижает его ползучесть на 10. 20%, а автоклавная обработка – на 50. 80%. Ползучесть бетона оказывает существенное влияние на ра­боту железобетонных конструкций под нагрузкой, что учитывают, например, при расчете внецентренно сжатых элементов, при оценке деформативности конструкций и при определении внутренних уси­лий в статически неопределимых конструкциях.

Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. Многократное повторение циклов нагрузки и разгрузки бетонного образца приводит к постепенному накоплению неупругих деформаций. Линии нагрузки и разгрузки образуют петлю гистере­зиса, площадь которой характеризует энергию, затраченную за один цикл на преодоление внутреннего трения.

При напряжениях, не превышающих предел выносливости , после достаточно большого числа циклов неупругие дефор­мации бетона, соответствующие данному уровню напряжений, по­степенно выбираются и бетон начинает работать упруго (рис. 15).

При высоких напряжениях после некоторого числа циклов кривая достигает прямолинейного вида, а затем на­чинает искривляться снова, но уже в обратном направлении, т.е. вогнутостью в сторону оси напряжений. Искривление начинается с верхней части прямой (т.е. вблизи наивысшего напряжения) и появ­ляется точка перегиба. При продолжающемся повторении приложении нагрузки точка перегиба опускается всё ниже по кривой, пока не исчезнет. Тогда вся кривая оказывается вогнутой в сторону оси напряжений. При этом остаточные деформации после каждой разгрузки неогра­ниченно растут, а кривая всё больше наклоняется к оси абс­цисс. Петля гистерезиса всё больше увеличивается и, наконец, обра­зец хрупко разрушается.

Физические явления, происходящие в бетоне при повторных нагружениях, близки к явлениям, происходящим при действии очень длительных нагрузок, т.е. длительное нагружение можно рассмат­ривать как многократно повторное с .

При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200. 600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бе­тона, называемое виброползучестью или динамической ползучестью бетона.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Методы определения деформаций
усадки и ползучести

Concretes. Methods of shrinkage and
creep flow determination

Дата введения 1982-01-01

УТВЕРЖДЕН Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 31 декабря 1980 г. N 237.

Настоящий стандарт распространяется на все виды цементных, а также силикатных бетонов, применяемых в промышленном, энергетическом, транспортном, водохозяйственном, жилищно-гражданском и сельскохозяйственном строительстве, в том числе на бетоны, подвергающиеся в процессе эксплуатации нагреву, насыщению водой или нефтепродуктами.

Стандарт устанавливает методы испытаний для определения деформации усадки путем измерения их в направлении продольной оси незагруженного образца и деформаций ползучести путем измерения их в направлении продольной оси образца, загруженного постоянной по величине осевой сжимающей нагрузкой.

Предусмотренные настоящим стандартом испытания проводят только на образцах, специально изготовленных из бетонной смеси. Образцы, выпиленные или вырубленные из элементов конструкций при испытании бетона на усадку и ползучесть не применяют.

В стандарте учтены рекомендации СЭВ по стандартизации PC 279-65 в части методов определения усадки и ползучести, а также рекомендации РИЛЕМ Р12 в части методов определения ползучести.

1. МЕТОДЫ ОТБОРА И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ

1.1. Определение деформаций усадки и ползучести должно проводиться на призматических образцах размерами 7х70х280, 100х100х400, 150х150х600, 200х200х800 мм не гидроизолированных от влагообмена с окружающей средой. В качестве базового образца следует принимать призму размерами 150х150х600 мм.

Для определения деформаций усадки ячеистого бетона допускается применять призмы размерами 40х40х160 мм.

1.2. Размеры образцов для определения деформаций усадки и ползучести выбирают в зависимости от наибольшей крупности заполнителя в пробе бетонной смеси в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78.

1.3. Образцы изготовляют отдельными сериями.

Деформации ползучести определяют одновременно с определением деформаций усадки, при этом перед испытаниями определяют прочность бетона на сжатие по ГОСТ 10180-78 и призменную прочность по ГОСТ 24452-80.

Каждая серия должна состоять из 9 образцов призм, из которых 3 образца предназначают для определения призменной прочности, 3 образца - для определения деформации усадки и 3 образца - для определения деформаций ползучести, а также 3 образцов-кубов с ребрами размерами, соответствующими размеру рабочего сечения призмы.

При определении только деформаций усадки серия должна состоять не менее чем из 3 образцов призм.

1.4. Изготовление и хранение образцов до распалубливания должно соответствовать требованиям ГОСТ 10180-78.

1.5. После распалубливания все образцы одной серии должны (включая образцы-кубы) храниться вплоть до начала испытаний в одинаковых, как правило, нормальных температурно-влажностных условиях согласно ГОСТ 10180-78.

При определении только усадки бетона образцы до начала испытаний должны храниться во влажных условиях, исключающих возможность испарения влаги из бетона.

1.6. Образцы из ячеистого бетона, изготовленные в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78, перед испытанием на усадку и ползучесть должны быть погружены в воду и храниться в ней в течение 3 сут в горизонтальном положении.

1.7. Число образцов в серии и условия их хранения при определении деформаций температурной усадки и ползучести при нагреве принимают в соответствии с обязательным приложением 1.

2. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

2.1. Оборудование и приборы для проведения испытаний должны отвечать требованиям настоящего стандарта, быть поверены и аттестованы в установленном порядке в соответствии с ГОСТ 8.001-80 и МУ 8.7-77.

2.2. Для определения деформаций усадки применяют устройства, схемы которых показаны на черт.1 и 2. Устройство, схема которого приведена на черт.1, предназначено для измерения деформаций усадки образцов с поперечным сечением размерами 40х40 мм.

Схема устройства для определения деформаций усадки
образцов с размерами поперечного сечения 40х40 мм

2 - кронштейн; 3 - конусообразный выступ; 4 - нижняя опора:
5 - индикатор; 6 - образец; 7 - репер;
а - размер стороны поперечного сечения образца; Н - высота образца;
- база измерений.

Устройство, схема которого приведена на черт.2, предназначено для измерения деформаций усадки образцов с сечением размерами более 40х40 мм и состоит из уложенной на опоры 7 плоской сварной сетки 6, изготовленной из гладких арматурных стержней с ячейками размером не более 20 мм.

2.3. Для определения деформаций ползучести применяют пневмогидравлические, пружинно-гидравлические или пружинные испытательные устройства, а также рычажные, приведенные в обязательном приложении 1.

Пневмогидравлическое устройство, схема которого приведена на черт.3, включает следующие основные узлы: плоскую раму, гидродомкрат с манометром и два баллона с инертным газом, в которых создают избыточное и расчетное давление.

Схема устройства для определения деформаций усадки
образцов с размерами поперечного сечения более 40х40 мм

1 - индикатор часового типа; 2 - рамка для крепления индикаторов; 3 - качающаяся штанга;
4 - образец; 5 - металлические пластинки по торцам образца; 6 - плоская сварная сетка; 7 -опора.

Схема пневмогидравлического устройства
для определения деформаций ползучести

2 - верхняя опорная плита; 3 - траверса; 4 - баллон с инертным газом (с избыточным
давлением по отношению к расчетному); 5 - баллон с инертным газом при расчетном давлении;
6 - гидравлический домкрат с шарнирной опорной плитой; 7 - вентиль баллона; 8 - входной вентиль;
9 - манометр образцовый; 10 - образец.

Пружинно-гидравлическое испытательное устройство, схема которого приведена на черт.4, состоит из пространственной рамы, снабженной в верхней ее части гидравлическим мембранным домкратом 2, а в нижней части - пакетом тарельчатых пружин 7 и регулировочными винтами 6. Контроль передаваемого на образец усилия осуществляют с помощью образцового манометра 1 гидравлического домкрата 2.

Схема пружинно-гидравлического устройства
для определения деформаций ползучести

1 - образцовый манометр; 2 - гидравлический домкрат плунжерного типа сгибкой диафрагмой;
3 - поршень домкрата; 4 - стойки; 5 - опорная плита;
6 - регулирующие винты; 7 - тарельчатые пружины; 8 - образец.

Пружинное испытательное устройство, схема которого приведена на черт.5, состоит из стоек 1, верхней траверсы 2 и постамента 7, образующих жесткую замкнутую раму, внутри которой размещены испытываемый образец 9, спиральные пружины 8 и установлен переносной гидравлический домкрат 6. Средняя 3 и нижняя 4 подвижные траверсы служат для передачи усилия, установочный винт 10 фиксирует образец до начала его загружения. С помощью домкрата 6 создают сжатие предварительно протарированной спиральной пружины и заданное усилие в образце, после чего положение нижней траверсы фиксируют гайками 5, а домкрат 6 освобождают и переносят на следующую установку.

Требуемая величина усилия, передаваемого на образец, обеспечивается выбором количества пружин 8 и гидравлическою домкрата соответствующей мощности.

2.4. Методы определения деформаций температурной усадки и ползучести при нагреве приведены в обязательном приложении 1; оборудование для нагрева образцов принимают в соответствии с ГОСТ 24452-80.

Схема пружинного устройства для определения
деформаций ползучести

2 - верхняя траверса; 3 - средняя траверса; 4 - нижняя траверса;
5 - гайки; 6 - гидравлический домкрат; 7 - постамент; 8 - спиральная пружина;
9 - бетонный образец; 10 - установочный винт.

2.5. Для измерения деформаций следует использовать измерительные приборы и приспособления для их крепления, применяемые для определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона по ГОСТ 24452-80.

2.6. При определении деформаций ползучести сжимающее усилие на образец следует передавать через металлические прокладки толщиной 35-37 мм, размеры которых в плане равны размеру поперечного сечения образца. Твердость прокладок и шероховатость их рабочих поверхностей должны удовлетворять требованиям ГОСТ 10180-78.

2.7. Для определения линейных размеров, массы образцов и плотности бетона следует применять средства измерений и оборудование по ГОСТ 10180-78 и ГОСТ 12730.1-78, а для определения влажности бетона - по ГОСТ 12730.2-78.

2.8. Для насыщения образцов водой или нефтепродуктами следует применять оборудование по ГОСТ 24452-80.

2.9. Для измерения температуры и определения влажности окружающей среды в процессе испытаний следует применять серийно выпускаемые термометры (термографы) и психрометры (гигрографы).

2.10. Для гидроизоляции образцов рекомендуется применять полиэтиленовую пленку с липким слоем по ГОСТ 10354-82 и парафин по ГОСТ 23683-79.

Допускается применение других гидроизоляционных материалов, надежно исключающих массообмен между образцом и окружающей средой.

3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЯМ

3.1. Подготовку образцов к испытаниям следует начинать с их внешнего осмотра и определения линейных размеров, допускаемые отклонения которых от номинальных размеров должны удовлетворять требованиям ГОСТ 10180-78.

3.2. Торцевые поверхности всех образцов, предназначенных для определения ползучести и усадки, должны быть закрыты металлическими пластинами толщиной 4-5 мм, наклеиваемыми с помощью быстрополимеризующихся клеев.

К торцевым поверхностям образцов размерами 40х40х160 мм, подвергаемых испытанию на усадку, приклеивают реперы в соответствии со схемой, показанной на черт.1.

Реперы изготавливают из инвара. Диаметр основания репера 7 должен быть не более 20 мм, а высота не более 15 мм.

Приклеиваемую поверхность репера обезжиривают органическим растворителем. Репер нагревают до температуры 50-60 °С и прижимают к образцу в центре торцевой грани, на которую предварительно наносят 2-3 капли клея.

Рекомендуется применять быстрополимеризующийся клей следующего состава (по массе):

эпоксидная смола по ГОСТ 10587-84 . 80 частей

полиэтиленполиамин . 3 части

(Измененная редакция, Изм. N 1).

3.3. На боковых поверхностях образцов размечают базу измерения продольных деформаций, устанавливают крепежные приспособления и измерительные приборы в соответствии с требованиями ГОСТ 24452-80.

3.4. Насыщение (пропитка) образцов водой или нефтепродуктами следует производить по ГОСТ 24452-80.

3.5. Для предотвращения испарения влаги или летучих фракций нефтепродуктов из образцов, пропитанных водой или нефтепродуктами согласно п.3.4, их боковую поверхность следует гидроизолировать внахлест двумя слоями полиэтиленовой пленки с липким слоем с последующим нанесением на нее расплавленного парафина слоем 2-3 мм. Гидроизоляцию торцевых поверхностей образцов производят согласно п.3.2.

3.6. Образцы для определения деформаций температурной усадки и деформаций ползучести при нагреве следует подготавливать в соответствии с требованиями ГОСТ 24452-80.

3.7. Не более чем за сутки до испытания образцов на ползучесть следует определить плотность бетона этих образцов по ГОСТ 12730.1-78, а также влажность бетона по ГОСТ 12730.2-78 на образцах, предварительно испытанных при определении призменной прочности.

3.8. Результаты измерений по пп.3.1 и 3.7 заносят в титульный лист журнала испытаний при определении деформаций усадки и ползучести по форме, приведенной в обязательном приложении 2.

4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Испытания для определения деформаций усадки и ползучести следует проводить в помещении или в климатической камере, в которых постоянно поддерживают температуру (20±2) °С и относительную влажность воздуха (60±5)%. Попадание прямых солнечных лучей на образцы не допускается.

4.2. Измерение деформаций только усадки следует начинать не позже чем через 4 ч после распалубливания образцов, а образцов из ячеистого бетона - после насыщения водой по п.1.6.

Рекомендации
по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных конструкций

Рекомендованы к изданию решением секции конструкций Ученого совета НИИЖБа.

Содержат методику расчета железобетонных конструкций с учетом ползучести и усадки бетона, условий изготовления, а также сроков нагружения конструкций.

Изложены основные положения расчета, приведены значения деформаций ползучести и усадки тяжелых бетонов и другие характеристики, необходимые для расчета. Даны методики определения потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона, жесткостей и перемещений изгибаемых и сжатых элементов, величин критических сил для сжатых стержней, а также методика расчета статически неопределимых систем.

Для инженерно-технических работников проектных и производственных организаций, научных работников, а также студентов строительных вузов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие Рекомендации содержат положения по учету ползучести и усадки бетона при проектировании бетонных и железобетонных стержневых элементов и составленных из них систем, изготовленных из тяжелого бетона и применяемых в промышленном, гражданском, гидротехническом, транспортном и других областях строительства.

Целью Рекомендаций является внедрение в практику проектирования методов расчета, позволяющих более точно учитывать влияние деформаций ползучести и усадки бетона на напряженно-деформированное состояние бетонных и железобетонных конструкций. Использование в расчетном аппарате статистически обоснованных характеристик бетона, принимаемых в зависимости от состава бетона, его возраста в момент нагружения, длительности действия нагрузки, условий окружающей среды в стадии эксплуатации конструкции и других факторов, позволяет более правильно проектировать бетонные и железобетонные конструкции.

Рекомендации предусматривают возможность применения расчетного аппарата также и при отсутствии в полном объеме исходных данных о составе бетона и некоторых других факторах.

Основными характеристиками бетона, учитываемыми в расчетах, являются прочность и модуль упругости бетона в момент приложения силового или температурно-влажностного воздействия, мера ползучести (характеристика ползучести) бетона, деформация усадки бетона и др.

Рекомендации состоят из 12-ти разделов: в разделах 1-3 излагаются основные положения и предпосылки методик расчета, а также приводятся значения прочностных и деформационных характеристик бетона; в разделах 4-9 содержится изложение методов расчета бетонных и железобетонных конструкций с учетом ползучести и усадки в предположении линейной зависимости между напряжениями и деформациями; в разделах 10-12 приведены методики расчета с учетом нелинейного деформирования бетона при кратковременном и длительном действии нагрузки.

Рекомендации составлены на основе результатов исследований, проведенных в СССР и за рубежом.

Рекомендации разработаны НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн. наук Р.Л.Серых, канд. техн. наук А.В.Яшин), ЦНИИС Минтрансстроя (кандидаты техн. наук Е.Н.Щербаков, Н.Г.Хубова), ВЗИСИ Минвуза РСФСР (д-р техн. наук В.М.Бондаренко, кандидаты техн. наук В.Г.Назаренко, И.М.Сперанский), ОИСИ Минвуза УССР (д-р техн. наук И.Е.Прокопович, кандидаты техн. наук М.В.Штейнберг, А.Н.Орлов), ЛПИ имени М.И.Калинина Минвуза РСФСР (д-р техн. наук П.И.Васильев); НИИСК Госстроя СССР (д-р техн. наук А.Б.Голышев, кандидаты техн. наук В.Я.Бачинский, В.А.Критов).

В разработке отдельных положений Рекомендаций приняли также участие ИСМиС АН ГССР (д-ра техн. наук З.Н.Цилосани, Г.В.Кизирия); ВЗПИ Минвуза СССР (д-р техн. наук Ю.В.Зайцев), ЦНИИС Минтрансстроя (инж. В.Л.Хасин); ДИСИ Минвуза УССР (канд. техн. наук В.А.Пахомов), КАДИ Минвуза УССР (д-р техн. наук Я.Д.Лившиц, ОИСИ Минвуза УССР (кандидаты техн. наук В.И.Барановский, М.М.Застава, инж. М.М.Бакирова), КПИ Минвуза МССР (д-р техн. наук Е.Н.Львовский, инж. Ф.П.Сырбу), ВЗИСИ Минвуза РСФСР (кандидаты техн. наук В.В.Костюков, А.Н.Курбанов, Е.П.Михлин); Ленинградский ИСИ Минвуза РСФСР (канд. техн. наук А.И.Филиппов); ЦНИИпроект Госстроя СССР (канд. техн. наук С.В.Бондаренко).

1. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Рекомендации содержат указания по учету влияния деформаций ползучести и усадки при расчете бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона на цементном вяжущем, выполняемых как без предварительного натяжения арматуры, так и с предварительным натяжением, и предназначенных для эксплуатации в условиях воздействия температур не выше плюс 50 °С и не ниже минус 40 °С и относительной влажности воздуха в пределах от 30 до 100%.

1.2. Материалы Рекомендаций основаны на обширных результатах статистической обработки опытных данных о кратковременном и длительном деформировании бетона, а также экспериментально проверенных теоретических решениях задач теории ползучести. Рекомендации позволяют более точно оценивать влияние ползучести и усадки бетона на несущую способность и перемещения, создают возможности для проектирования более рациональных и экономичных бетонных и железобетонных конструкций.

Для упрощения расчетов помещены таблицы, в которых промежуточные значения определяют по линейной интерполяции.

1.3. Рекомендации распространяются на расчет стержневых элементов бетонных и железобетонных конструкций, а также конструкций, рассчитываемых аналогичными способами, при действии нагрузок и (или) вынужденных деформаций (температурные и влажностные воздействия, смещения опор и т.д.).

Рекомендации не распространяются на расчет массивных конструкций гидротехнических и других сооружений. При наличии данных о величинах деформации ползучести и усадки рекомендации могут применяться и для расчета конструкций из других видов бетона (на пористых заполнителях, на специальных вяжущих и т.п.).

1.4. При определении внутренних усилий и перемещений расчетные температура и влажность среды устанавливаются заданием на проектирование. При отсутствии в задании необходимых указаний температура и влажность среды определяются по отраслевым техническим условиям.

1.6. Численные значения характеристик бетона, приведенные в настоящих Рекомендациях, предназначены только для проектирования. Характеристики арматуры, а также другие данные, не нашедшие отражения в Рекомендациях, следует принимать по соответствующим нормативным документам.

1.7. Усилия в статически неопределимых железобетонных конструкциях от нагрузок и вынужденных деформаций при расчете по предельным состояниям первой и второй групп следует, как правило, определять с учетом неупругих деформаций бетона и арматуры, с учетом в необходимых случаях нелинейности деформаций при кратковременном нагружении и деформаций ползучести, наличия трещин, а также деформированного состояния как отдельных элементов, так и конструкций в целом.

1.8. Усилия, возникающие при любом изменении температуры, определяют в предположении однократного и стационарного во времени характера этих температурных воздействий.

1.9. Вынужденные деформации, связанные с неравномерной осадкой опор в статически неопределимых системах, считаются мгновенно зафиксированными или монотонно изменяющимися по законам, регламентированным соответствующими документами или полученным по результатам экспериментальных или натурных наблюдений.

1.10. При расчете конструкций, возводимых методом последовательного наложения связей после частичного или полного загружения, перемещения в направлении этих связей, сформировавшиеся при работе по разрезной схеме, рассматривают как вынужденные перемещения в неразрезной системе, сохраняющиеся после замыкания связей.

1.11. Если статически неопределимая система состоит из конструктивных элементов, бетон которых существенно различается по возрасту, составу или другим показателям, то в расчет системы следует вводить элементы с соответствующими жесткостями, а также параметрами ползучести и усадки.

2. ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

2.1. Вводимые в расчет класс бетона по прочности на сжатие и нормативное значение призменной прочности имеют обеспеченность, равную 0,95, и принимаются согласно СНиП 2.03.01-84 для возраста бетона =28 сут. Значения модуля упругости , предельные значения меры ползучести и деформации усадки , определяемые по формулам (1), (3) и (4) или по табл.2 и 4, принимаются среднестатистическими с обеспеченностью 0,5 и соответствуют базовым условиям, принятым по ГОСТ 24452-80 и ГОСТ 24544-81 с изм.

2.2. Для учета в расчетах влияния отклонений фактических условий изготовления, загружения и эксплуатации железобетонных элементов от базовых условий (возраста бетона в момент загружения или же начала его высыхания, размеров поперечного сечения элемента, температурно-влажностного режима окружающей среды, тепловлажностной обработки) числовые значения деформационных характеристик , , , полученные согласно п.2.1, умножают на коэффициенты, приведенные в табл.5-7 и в примечаниях к табл.2 и 4.

2.3. Значение начального модуля упругости бетона при известных характеристиках состава бетонной смеси и ее составляющих определяют по формуле

Деформативные свойства бетона определяются его начальным модулем упругости Е_b. Этот модуль может быть определен в зави­симости от марки или класса бетона по таблице ниже.

Начальные модули упругости тяжелого бетона

Модуль упругости Е_b·10 -3 МПа

За начальный модуль упругости бетона при сжатии и растя­жении принимается отношение нормального напряжения в бето­не к его относительной деформации при величине напряжения σ_b < 0,2R_b. Упругие свойства бетона следует проверить путем эк­сперимента, определив начальный модуль упругости в_ь = 0,2R_b и условный модуль деформаций при σ_b = 0,2R_b, подвергнув осе­вому сжатию призму размером 100x100x300 мм, замеряя деформацию ε = Δl/l.

При однократном непрерывном сжатии бетонного образца мак­симальной разрушающей нагрузкой диаграмма напряжения-дефор­мации имеет криволинейное очертание, деформации в бетоне рас­тут быстрее напряжений (рис. ниже). Такой характер диаграммы возникает, потому что при быстром достижении максимального усилия в бетоне под действием нагрузки одновременно с упругими деформациями развиваются также неупругие, обусловленные пол­зучестью бетона. Ползучесть — это способность бетона деформи­роваться во времени даже при неизменной нагрузке.

Диаграммы напряжения-деформации бетона при сжатии

В момент окончательного разрушения призмы получают рас­четное сопротивление R_b. После этого строится график с отклады­ванием по оси х относительного удлинения, а по оси у — напряже­ния в бетоне (рис. выше).

1. начальный модуль упругости при напряжении σ_b = 0,2R_b (тан­генс угла наклона касательной к действительной диаграмме σ-ε в начале координат)

2. с увеличением напряжений угол наклона касательной к кривой σ_b-ε_b будет уменьшаться (вследствие развития во времени де­формаций ползучести). Находят тангенс угла наклона к оси абс­цисс касательной, проведенной к этой кривой,

3. определяют условный модуль упругости (средний модуль упругопластичности бетона) при σ_b = 0,5R_b (тангенс угла наклона секущей к кривой полных деформаций)

4. выражая модуль упргопластичности бетона через модуль упру­гости (из выражений выше), получают коэффициент упругости бетона (коэффициент Пуассона)

Коэффициент Пуассона (отношение поперечной деформации к продольной) с увеличением напряжений в бетоне возрастает: на­чальное его значение принимается равным 0,2.

Призменная прочность бетона может быть получена по формуле

где N_max — разрушающая нагрузка, кН; А — площадь сечения об­разца, см 2 .

Читайте также:

  
• Девушка спрыгнула с крыши дома
  
• Зонирование полов в квартире
  
• Установка швеллера в проем окна
  
• Монтаж пластиковых окон фирмы
  
• Каким лаком покрыть деревянную лестницу в доме