Характеристика деформативных свойств тяжелого бетона сжатой зоны
Обновлено: 30.04.2024
Под прочностью твердого тела понимают его способность сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность бетона зависит от многочисленных факторов: структуры, марки и вида цемента, водоцементного отношения, вида и прочности крупных и мелких заполнителей, условий твердения, вида напряженного состояния, формы и размера образцов, длительности загружения. Определяющее влияние на прочность бетона оказывает взаимодействие твердой кристаллической части цементного камня с его пластичной гелевой частью. Во времени гелевая составляющая уменьшается, а кристаллическая — увеличивается. Соотношение во времени между двумя составляющими цементного камня в основном зависит от марки цемента и тонкости помола. Чем тоньше помол цемента, тем быстрее рост твердой кристаллической части.
В нашей стране в основном производится алитовый портландцемент. После твердения он обладает наибольшим отношением твердой кристаллической к пластичной гелевой составляющей цементного камня. Вследствие этого алитовый портландцемент оказывается наиболее прочным. При одноосном сжатии растягивающие напряжения в сплошной среде отсутствуют, хотя вокруг пор и пустот по продольным площадкам возникают растягивающие структурные напряжения, уравновешиваемые сжимающими напряжениями. Поэтому местные структурные напряжения в явном виде не учитывают, полагая, что влияние их сказывается при определении нормативных прочностных и деформативпых характеристик бетона.
Вследствие частого и хаотического расположения пустот происходит взаимное наложение растягивающих напряжений (появляется вторичное поле напряжений). Концентрация местных растягивающих напряжений приводит к появлению и развитию микротрещин в бетоне еще задолго до его разрушения. В случае одноосного сжатия небольшое количество микротрещин возникает уже при напряжениях (временное сопротивление сжатию призмы). Отсутствие закономерности в расположении заполнителей в затвердевшем бетоне, а также в размерах и расположении пор приводит к существенному разбросу показателей прочности эталонных образцов, изготовленных из одного бетона. Поэтому данные о фактической прочности и деформативности бетона основывают на большом числе экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях.
На прочность бетона большое влияние оказывает скорость нагружения образцов. При замедленном их нагружении прочность бетона оказывается на 10…15% меньше, чем при кратковременном. При быстром нагружении (0,2 с и менее) прочность бетона возрастает до 20%. Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность, прочность при срезе и скалывании, при многократно повторных нагрузках, при кратковременном, длительном и динамическом действии нагрузок.
Кубиковая прочность.
В железобетонных конструкциях бетон преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную характеристику (эталон) прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Все другие прочностные характеристики (на растяжение, местное сжатие и др.) и модуль деформаций зависят от прочности бетона на осевое сжатие и определяются по эмпирическим формулам с помощью экспериментальных коэффициентов.
Наиболее простым и надежным способом оценки прочности бетона в реальных конструкциях является раздавливание на прессе кубов бетона, изготовленных в тех же условиях, что и реальные конструкции. За стандартные лабораторные образцы принимают кубы размером 15 х 15 х 15 см; испытывают их при температуре (20 + 2) °С через 28 дн твердения в нормальных условиях (температуре воздуха 15…20°С и относительной влажности 90—100%). Временное сопротивление эталонных кубов принимают за кубиковую прочность бетона. В настоящее время широкое распространение получают экономичные неразрушающие методы оценки прочности бетона в реальных конструкциях и изделиях: ультразвуковые, просвечивание проникающими лучами.
На величину лабораторно оцениваемой прочности бетона существенно влияет форма и размеры образцов: например, чем меньше куб, тем она больше. Так, временное сопротивление сжатию бетонных кубов со стороной 10 см на 10% выше, чем прочность эталонных кубов, а прочность куба со стороной в 30 см ниже на 11…13%. Различное временное сопротивление сжатию образцов разной формы объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса, неоднородностью структуры бетона. Вблизи опорных плит пресса силы трения, направленные внутрь образца, создают как бы обойму и тем самым увеличивают прочность образцов при сжатии. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцов снижается, поэтому бетонный куб при разрушении получает форму двух усеченных пирамид, обращенных друг к другу вершинами. При уменьшении сил трения посредством смазки (парафин, стеарин) характер разрушения меняется: вместо выкалывания с боков образца пирамид происходит раскалывание его по трещинам, параллельным направлению действия усилия. При этом временное сопротивление бетона сжатию уменьшается. Физическую сущность масштабного эффекта раскрывает статистическая теория прочности хрупких материалов.
В общем случае прочность бетона при осевом сжатии имеет три характерные границы. Первой границей является величина прочности бетона на многократно повторную нагрузку (предел выносливости бетона), второй — предел длительного сопротивления бетона, и третий — кратковременное сопротивление бетона или призменная прочность бетона.
Призменная прочность.
Под призменной прочностью понимают временное сопротивление осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы h к размеру стороны Ь квадрата, равном 4. Образцы призматической формы, для которых влияние сил трения меньше, чем для кубов, при одинаковом поперечном сечении показывают меньшую прочность на сжатие. При отношении высоты призмы h к стороне b > 3…4 прочность призм на сжатие остается практически постоянной. В реальных конструкциях напряженное состояние бетона приближается к напряженному состоянию призм. Поэтому для расчета конструкций на осевое сжатие принята призменная прочность бетона, ее величина имеет максимальное значение при мгновенном загружении. При таком соотношении h/b влияние опорных плит пресса в средней части призмы (участок разрушения), а также гибкости бетонного образца практически не сказывается. При этом имеется в виду, что эталонные призмы набирали прочность в нормальных условиях в течение 28 дней и что условия загружения соответствуют требованиям ГОСТа. Призменная прочность равняется примерно 0.75 кубиковой прочности для класса бетона В25 и выше и 0, 8 для класса бетона ниже В25.
Прочность на смятие (местное сжатие).
Опыты показывают, что при действии сжимающей силы напряжения в толщу бетона распространяются под углом 45 градусов. При этом бетон под площадкой смятия может выдерживать напряжения, значительно превышающие призменную прочность бетона. Повышение прочности бетона на нагруженной части объясняется удерживающим влиянием бетона ненагруженной части (бетонной обоймой) и в железобетонных конструкциях многоэтажных зданий встречается часто: под опорами балок, в стыках сборных колонн, под анкерами предварительно напряженных конструкций.
Прочность на осевое растяжение.
Из-за трудностей центровки растягивающей силы истинное временное сопротивление бетона на осевое растяжение получить трудно, поэтому на практике определяют его косвенными методами — по результатам испытания цилиндрических образцов на раскалывание или изгиба опытных балочек. Прочность бетона на осевое растяжение зависит от прочности на растяжение цементного камня и его сцепления с зернами крупного заполнителя, от увлажнения. Причинами низкой прочности при осевом растяжении является неоднородность структуры бетона, наличие внутренних напряжений, слабое или нарушенное сцепление между цементным камнем и заполнителями.
Прочность при срезе и скалывании.
Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы, т. е. такое напряженное состояние, при котором главные напряжения равны 0. Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий. Железобетонные конструкции редко работают на срез и скалывание. Обычно срез сопровождается действием продольных сил, а скалывание — действием поперечных сил. Сопротивление срезу может возникать в шпоночных соединениях и у опор балок, а сопротивление скалыванию — при изгибе преднапряженных балок до появления в них наклонных трещин, если не обеспечена надежная связь между верхней и нижней частями бетона на опорах.
Прочность при длительном действии нагрузки.
Пределом длительного сопротивления бетона называют наибольшие статические неизменные во времени напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долгое время без разрушения. При длительном действии нагрузки бетонный образец разрушается при напряжениях меньших, чем при кратковременной нагрузке. Это обусловливается влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и изменением структуры бетона и зависит от режима нагружения, начальной прочности и возраста образцов.
Прочность при многократном действии нагрузки.
Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 1000000. Установлено, что предел выносливости бетона уменьшается с уменьшением коэффициента асимметрии цикла. Предел выносливости связан с нижней границей образования микротрещин. Если многократно повторная тающего упруго в течение короткого промежутка нагружения динамической нагрузкой.
Динамическое упрочнение.
При кратковременной (ударная, импульсная) динамической нагрузке большой интенсивности получают увеличение временного сопротивления бетона — динамическое упрочнение. Оно тем больше, чем меньше время нагружения образца. Динамическое временное сопротивление
Бетоны высоких классов не дают заметного прироста прочности во времени. Твердение бетона значительно ускоряется с повышением температуры и влажности среды. Поэтому на предприятиях сборного железобетона изделия подвергают тепловлажностной обработке (температура до 90 С и влажность до 100%) или специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре порядка 170 °С. Эти способы позволяют за сутки получить прочность бетона, равную 70% от проектной прочности.
При температурах ниже +5°С твердение бетонов существенно замедляется, а при температуре бетонной смеси — 10 °С — практически прекращается. За 28 сут твердения при — 5 °С бетон набирает не более 8% прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях, при 0°С-40…50%, при +5°С-70…80%. После оттаивания бетонной смеси твердение бетона возобновляется, но конечная прочность его всегда оказывается ниже прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях. Бетоны, прочность которых к моменту замерзания составляла не менее 60% от проектной, после оттаивания в течение 28 сут набирают проектную прочность. При бетонировании в условиях низких температур (до — 30 °С) охлажденную смесь перед укладкой посредством электропрогрева нагревают до температуры + 70°С. Применение быстротвердеюших цементов или утепление конструкций позволяет в этом случае набирать бетону в среднемассивных конструкциях (модуль поверхности до 10) до 70% прочности прежде, чем он замерзнет и тем самым исключить влияние замораживания бетона на рост его прочности после оттаивания.
Противоморозные добавки (хлористые соли, углекислый калий, азотистокислый натрий) обеспечивают твердение бетона при температурах до — 10 С. Добавку принимают не более 15% от массы цемента. Лишнее количество добавки вредно действует на бетон и вызывает коррозию арматуры.
В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий их эксплуатации нормы проектирования СП 52-101-2003 устанавливают показатели качества бетона (их несколько). Важнейшим из них является класс бетона по прочности на осевое сжатие В. Он указывается в проектах во всех случаях как основная характеристика бетона.
Классом бетона по прочности на осевое сжатие В называется наименьшее контролируемое значение временного сопротивления сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных после 28 суток твердения при температуре t = 20 ± 2°С и относительном влажности воздуха более 60% с соблюдением всех требований стандарта, которое принимается с доверительной вероятностью 0,95.
Для бетонных и железобетонных конструкций нормами проектирования СНиП 52-01-2003 по прочности на сжатие предусмотрены следующие классы тяжёлого бетона: В3,5; В5; В7,5; B10; B15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80; В85; В90; В95; В100; В105; В110; В115; В120.
Число, стоящее после буквы «В» в обозначении класса бетона, соответствует гарантированной прочности бетона на осевое сжатие, выраженной в МПа, с обеспеченностью 95%. Например, классу бетона В20 соответствует гарантированная прочность бетона 20 MПa.
Чтобы оценить количественно изменчивость прочности бетона и обеспечить её гарантированное для заданного класса бетона значение используют методы теории вероятностей.
Классы бетона по прочности на осевое растяжение (Вt0,4; Вt0,8; Вt1,2; Вt1,6; Вt2; Вt2,4; Вt2,8; Вt3,2; Вt3,6; Вt4; Вt4,4; Вt4,8; Вt5,2; Вt5,6; Вt6) устанавливаются для конструкций, работающих преимущественно на растяжение (например, стенок резервуаров и водонапорных труб).
Кроме того, при необходимости для более полной характеристики качеств бетона могут устанавливаться марки бетона по морозостойкости F, по водонепроницаемости W и по средней плотности D.
В п. 5.1.3. СНиП 52-01-2003 предусмотрены бетоны следующих марок:
- по морозостойкости F15, F20, F25, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F700, F800, F900, F1000, они характеризуются числом циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которые выдерживает бетон без снижения прочности более чем на 15%;
- по водонепроницаемости W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20;
число — величина давления воды в кгс/см 2 , при котором еще не наблюдается просачивания ее через испытуемый стандартный образец толщиной 15 см;
- по средней плотности от D 200 до D 5000, соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м 3 .
Для напрягающих бетонов устанавливают марку по самонапряжению.
При необходимости устанавливают дополнительные показатели качества бетона, связанные с теплопроводностью, температуростойкостью, огнестойкостью, коррозионной стойкостью (как самого бетона, так и находящейся в нем арматуры), биологической защитой и с другими требованиями, предъявляемыми к конструкции.
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, появляются и неупругие остаточные или пластические, т. е. полная деформация 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 повторном 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. 2.4а) 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. 1.7б. 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. 2.4б).
Рисунок 2.4 – 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
Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Его длительность обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 2.5. Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня
напряжений и класса бетона, т. е. .
Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна:
Рисунок 2.5 – Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями бетона при сжатии и растяжении: I – область упругих деформаций; II – область пластических деформаций; 1 – нагрузка; 2 – разгрузка; – предельная сжимаемость; – предельная растяжимость; – максимальная сжимаемость при нисходящей ветви диаграммы
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 εер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации εе1 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 εрl1 (рис. 2.5). R2- напряжение в момент, предшествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная величина).
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.
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 элементов.
Нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки называется ползучестью бетона. Деформации ползучести состоят из двух частей: пластической, протекающей почти одновременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. Деформации ползучести развиваются, главным образом, в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3. 4 раза.
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.
8.1. Деформативность. Под деформативностью твердых тел понимают их свойство изменять размер и форму под влиянием силовых воздействий и несиловых факторов. В соответствии с этим деформации твердых тел разделяют на силовые и несиловые. Под несиловыми понимают деформации, проявляющиеся вследствие нарушения гигрометрического баланса парового давления, изменения температур. Несиловые деформации (усадка, набухание, температурные воздействия) являются объемными и развиваются одинаково во всех направлениях. Свободное несиловое деформирование не сопровождается изменением напряженного состояния твердого тела. Стесненные несиловые деформации приводят к возникновению напряжений, называемых собственными напряжениями твердого тела. Эти напряжения могут служить причиной разрушения материала. Под силовыми понимают деформации, проявляющиеся под воздействием внешних сил. Силовые деформации твердых тел развиваются преимущественно вдоль направления действия внутренних усилий. Они проявляются в виде сжатия, растяжения, сдвига. Одновременно с ними, как следствие продольного деформирования, возникают поперечные деформации. Деформативность твердых тел обусловлена их физической природой, поэтому разделение деформаций на силовые и несиловые, предполагающее их взаимонезависимость, является условным. В действительности силовые и несиловые деформации взаимосвязаны. Например, изменения влажности или температуры образцов приводят к изменению их механических характеристик (модуль упругости, меры ползучести) и тем самым влияют на проявление силовых деформаций. По временной связи с напряжениями силовые деформации бывают мгновенные и запаздывающие. Мгновенные деформации фиксируют при неизменных во времени напряжениях; они развиваются одновременно с изменением напряжения, проявляются со скоростью, близкой к скорости звука, и прекращаются мгновенно, как только стабилизируются напряжения. Величина их зависит от упругопластических свойств материала, поэтому их часто называют упругопластическими деформациями.
В литературе часто при рассмотрении мгновенного деформирования материала имеют в виду однократное изменение формы и размеров тела при нагружении кратковременной нагрузкой (рис. 21, а). На самом деле всякое нагружение осуществляется во времени, поэтому неправильно сопоставлять экспериментальные результаты, полученные разными исследователями. Под мгновенным (в статическом понимании) понимают загружение образцов с немедленным автоматическим отсчетом деформаций. Для получения запаздывающих деформаций (ползучесть) необходимо одновременно испытывать серию образцов-близнецов: у одних образцов замерять общие силовые деформации, а у других - мгновенные силовые деформации. Разность между ними даст значение деформации ползучести материала. Запаздывающие деформации развиваются и при постоянных напряжениях; теоретически они стабилизируются лишь в бесконечной отдаленности, если напряжения не превышают длительной прочности материала.
Деформативность.
Под деформативностью твердых тел понимают их свойство изменять размер и форму под влиянием силовых воздействий и несиловых факторов. В соответствии с этим деформации твердых тел разделяют на силовые и несиловые. Под несиловыми понимают деформации, проявляющиеся вследствие нарушения гигрометрического баланса парового давления, изменения температур. Несиловые деформации (усадка, набухание, температурные воздействия) являются объемными и развиваются одинаково во всех направлениях. Свободное несиловое деформирование не сопровождается изменением напряженного состояния твердого тела. Стесненные несиловые деформации приводят к возникновению напряжений называемых собственными напряжениями твердого тела. Эти напряжения могут служить причиной разрушения материала.
Под силовыми понимают деформации, проявляющиеся под воздействием внешних сил. Силовые деформации твердых тел развиваются преимущественно вдоль направления действия внутренних усилий. Они проявляются в виде сжатия, растяжения, сдвига. Одновременно с ними, как следствие продольного деформирования, возникают поперечные деформации. Деформативность твердых тел обусловлена их физической природой, поэтому разделение деформаций на силовые и несиловые, предполагающее их взаимонезависимость, является условным. В действительности силовые и несиловые деформации взаимосвязаны. Например, изменения влажности или температуры образцов приводят к изменению их механических характеристик (модуль упругости, меры ползучести) и тем самым влияют на проявление силовых деформаций.
По временной связи с напряжениями силовые деформации бывают мгновенные и запаздывающие. Мгновенные деформации фиксируют при неизменных во времени напряжениях; они развиваются одновременно с изменением напряжения, проявляются со скоростью, близкой к скорости звука, и прекращаются мгновенно, как только стабилизируются напряжения. Величина их зависит от упругопластических свойств материала, поэтому их часто называют упругопластическими деформациями.
В литературе часто при рассмотрении мгновенного деформирования материала имеют в виду однократное изменение формы и размеров тела при нагружении кратковременной нагрузкой. На самом деле всякое нагружение осуществляется во времени, поэтому неправильно сопоставлять экспериментальные результаты, полученные разными исследователями. Под мгновенным (в статическом понимании) понимают загружение образцов с немедленным автоматическим отсчетом деформаций. Для получения запаздывающих деформаций (ползучесть) необходимо одновременно испытывать серию образцов-близнецов: у одних образцов замерять общие силовые деформации, а у других — мгновенные силовые деформации. Разность между ними даст значение деформации ползучести материала. Запаздывающие деформации развиваются и при постоянных напряжениях; теоретически они стабилизируются лишь в бесконечной отдаленности, если напряжения не превышают длительной прочности материала.
В литературе принято силовые деформации условно разделять на линейные и нелинейные.
Под линейными понимают деформации, которые пропорциональны напряжению. Линейные мгновенные деформации являются упругими. При этом должно соблюдаться требование одинаковой меры ползучести при сжатии и растяжении, загружении и разгружении. Под нелинейными понимают мгновенные пластические и запаздывающие деформации; они непропорциональны напряжениям. Под непропорциональностью связи между напряжениями и деформациями понимают следующее: если несколько образцов-близнецов нагрузить разными силами, то запаздывающие деформации, накопленные образцами за равные промежутки времени, не пропорциональны этим силам. Нелинейность деформирования твердых тел связывают с их структурными и возрастными изменениями.
С ростом прочности материала и уплотнении структуры за счет предшествующих стационарных или многократно переменных силовых воздействий условный порог нелинейности деформирования материала сдвигается в сторону нагружения. В этом одно из проявлений влияния предшествующего характера деформирования па сопротивление материала силовым нагружениям. Разгрузка материала происходит практически линейно, так как определяется упругой частью мгновенных деформаций и упругим последствием запаздывания. Деформации нагружения всегда больше, чем деформации разгрузки. Разница между ними представляет собой остаточные деформации. Доля остаточных деформаций растет с ростом уровня нагружения и падает по мере старения материала, с увеличением его прочности, после активного силового предшествующего воздействия, например после многократно переменного нагружения.
Взаимосвязь между напряжениями, временем и деформациями, а также другими факторами, определяющими механическое состояние материалов, описывают с помощью так называемых физических уравнений. Уравнения механического состояния материалов, используемые в механике твердого тела, являются феноменологическими, т. с. построенными па базе экспериментальных данных с помощью некоторых рабочих гипотез. Как правило, эксперименты проводят над простейшими образцами при эталонных напряженных состояниях и режимах нагружения. Рабочие гипотезы представляют собой обобщение опыта и связаны с фундаментальными исследованиями естественных наук.
Бетон является материалом с ярко выраженными упругопластическими свойствами. Уже при небольших напряжениях в нем кроме упругих (восстанавливающихся) деформаций развиваются пластические (остаточные), зависящие от характера приложения и длительности действия нагрузки, возраста бетона и режима нагружения. Чем бетон старее, тем выше его сопротивление деформированию. Для бетона силовые деформации подразделяют на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, при длительном действии нагрузки, при многократно повторяющейся нагрузке.
Динамическое деформирование бетона имеет дополнительную специфику. Мгновенные деформации бетона (упругие и пластические) не связаны режимом и длительностью нагружения; они определяются лишь конечными напряжениями. Деформации ползучести бетона, как запаздывающие, всегда связаны режимом и длительностью приложения нагрузки; их величина уменьшается по мере увеличения возраста бетона к моменту начала нагружения.
Сопротивление деформированию.
При силовых воздействиях твердые тела деформируются. В теории деформаций бетона рассматривают относительные деформации, равные отношению абсолютного удлинения (укорочения, поворота сечения) элемента к его первоначальному размеру, замеряемому до наблюдения. В тексте книги вместо термина относительные деформации употребляется слово — деформации. Мерой деформаций твердых тел являются удельные деформации. В общем случае сопротивление деформированию твердых тел уменьшается с приближением действующих напряжений к пределу прочности материала, а удельные деформации растут. Удельные деформации, таким образом, являются функциями напряжений. В этом проявляется нелинейность деформирования и это определяет нелинейную постановку задачи в теории железобетона. В частных случаях сопротивление деформированию твердых тел усредняется на всем возможном диапазоне изменения напряжений — от нулевых значений до предела прочности. Тогда считается, что удельные деформации не зависят от величины действующих напряжений. В этом — приближенная, линейная постановка задачи теории железобетона.
У материалов, чьи механические свойства меняются со временем, в частности у стареющих бетонов, мгновенные деформации, как и деформации ползучести, зависят от режима нагружения. У материалов со стабильными механическими свойствами, в частности у так называемых старых бетонов, от режима нагружения зависят лишь деформации ползучести. Подавляющее большинство строительных конструкций находятся в условиях неоднородного напряженного состояния (изгиб, внецентренное сжатие или растяжение) и величины напряжений в разных их сечениях и даже точках по сечениям неодинаковы; например, у простой балки, опирающейся на две шарнирные опоры, при равномерной нагрузке, наибольшие моменты и наибольшие фибровые напряжения будут посредине пролета, а наименьшие — у опор; одновременно по высоте каждого сечения на нулевой оси напряжения равны нулю и имеют экстремальные значения вблизи границы сечения (на фибровом волокне). Прямой учет многочисленной изменчивости деформативных характеристик бетона с помощью признанных методов строительной механики становится неоправданно трудоемким и поэтому не используется. На практике применяются более простые инженерные способы.
Деформации при однократном длительном загружении.
Как показывают опыты и практика эксплуатации зданий, при продолжительном действии постоянной нагрузки деформации каменных, бетонных и железобетонных конструкций не остаются неизменными, а увеличиваются во времени. Процесс деформирования остается неравновесным весьма длительное, а теоретически — неограниченное время; развитие деформаций, следуя за напряжениями, запаздывает во времени. Конечные полные деформации конструкций могут за 3…4 года в несколько раз превышать мгновенные деформации.
Ползучестью называют свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций при длительном действии нагрузки. Деформации ползучести бетона обусловлены его структурными несовершенствами; абсолютная величина деформаций ползучести зависит от возраста, прочности бетона и материалов его составляющих, влажности среды и предыстории деформирования; она уменьшается по мере старения бетона, увеличения его прочности в момент нагружения и уплотнения после предшествующего многократного знакопеременного деформирования. Являясь силовой деформацией, деформации ползучести бетона тем больше, чем выше уровень напряжений. При этом скорость деформаций ползучести бетона затухает во времени, асимптотически приближаясь к нулевому значению. Наибольшую интенсивность нарастания деформаций ползучести бетона наблюдают в первые 3…4 мес.
При стеснении деформации ползучести напряженное состояние сечения бетонного образца меняется. Доля упругих деформаций и, следовательно, величина напряжений уменьшаются, а доля деформаций ползучести бетона возрастает. Происходит замещение одних деформаций другими. Ползучесть бетона увеличивается с уменьшением размеров испытуемого образца и уменьшается с понижением водоцементного отношения, увеличением влажности окружающей среды. На деформации ползучести бетона оказывают также непосредственное влияние зерновой состав бетона, вид цемента, крупных и мелких заполнителей, технологические и многие другие факторы.
Бетоны на пористых заполнителях обладают большей ползучестью по сравнению с тяжелыми бетонами. Нелинейная ползучесть бетона обусловливает перераспределение напряжений по высоте бетонных сечений и в статически неопределимых железобетонных конструкциях. При проектировании предварительно напряженных железобетонных конструкций нормы учитывают быстронатекающую ползучесть, под которой понимают ползучесть бетона, проявляющуюся непосредственно после нагружения бетона.
Релаксация напряжений.
Релаксацией напряжения бетона называют процесс снижения напряжения при стеснении его деформаций. Если деформации бетона нарастают свободно, напряжения в сечениях элементов остаются постоянными. В железобетоне ненапрягаемая арматура стесняет свободное развитие деформаций ползучести бетона, поэтому напряжения в бетоне не будут оставаться постоянными. Они будут снижаться но мере ползучести бетона, а в арматуре в связи с самоуравновешиванием — увеличиваться. Ползучесть и релаксация напряжений бетона имеют общую физико-механическую основу. Математически они взаимосвязаны и оказывают существенное влияние на работу железобетонных конструкций, испытывающих воздействие длительной нагрузки. Ползучесть бетона и релаксация напряжений (реологические свойства бетона) обусловливают рост прогибов железобетонных конструкций с течением времени, снижают предварительные напряжения в арматуре, способствуют перераспределению усилий в железобетонных статически неопределимых системах.
Деформации при многократном повторении нагрузки.
Многократно повторные нагрузки могут иметь как статический, так и динамический характер.
Статическими многократно повторными нагрузками являются такие, возрастание и снижение которых происходит медленно, а силы инерции не оказывают влияния на результаты расчета.
К динамическим многократно повторным нагрузкам относят меняющиеся во времени нагрузки, при которых нельзя пренебречь влиянием инерционных сил на напряженно-деформированное состояние элементов конструкций или конструкций в целом.
К статическим многократно повторяемым можно отнести нагрузки от периодически освобождаемых хранилищ, к динамическим — нагрузки от вибрационных машин. Площадь петли означает энергию, необратимо рассеянную единицей объема тела за один цикл нагружения — разгружения за счет несовершенства деформативных свойств материала. При повторении циклов нагрузка — разгрузка происходит постепенная выборка неупругих деформаций; при этом площадь петли гистерезиса постепенно уменьшается, достигая в пределе стабильной величины. Если при загружении образца напряжения не превосходят предел выносливости бетона, деформации, постепенно затухая, достигают предельной величины, а стабильная зависимость между напряжениями и деформациями сохраняется при неограниченно большом числе циклов загружения.
Снижение длительной прочности и виброползучести бетона проявляется резче с ростом уровня напряжений, асимметрии циклов и частоты колебаний и смягчаются с увеличением исходных возраста и класса бетона. Указанные изменения механических свойств бетона существенно влияют на несущую способность и деформативность железобетонных конструкций, поэтому их учитывают при расчетах.
Предельные деформации при осевом растяжении и сжатии.
Под предельными деформациями бетона при растяжении (или сжатии) понимают относительные средние удлинения (или укорочения) в момент разрушения центрально-растянутых (центрально-сжатых) образцов, испытанных по государственному стандарту. Предельная растяжимость бетона 0, 1…0, 2 мм/м длины образца. Предельная растяжимость увеличивается при влажном хранении (примерно вдвое) с увеличением длительности приложения нагрузки и уменьшается с повышением прочности и плотности бетона. От предельной растяжимости бетона зависит сопротивляемость растянутых зон сечений железобетонных элементов образованию трещин.
Предельное относительное укорочение бетона в 10…20 раз больше его предельного относительного удлинения и составляет 0, 8…4 мм/м длины образца. Предельная сжимаемость бетона в сжатой зоне изгибаемых железобетонных элементов достигает 0, 003…0, 005. При уменьшении ширины сечения к низу и особенно в тавровых сечениях с полкой в сжатой зоне уменьшается, а при уменьшении высоты сжатой зоны сечения — увеличивается.
У бетонов на пористых заполнителях предельная сжимаемость и растяжимость бетона примерно в два раза выше, чем у тяжелых бетонов тех же марок. Предельные поперечные деформации бетона при сжатии и растяжении определяют соответственно по предельным продольным относительным деформациям сжатия и растяжения посредством коэффициента поперечной деформации (коэффициента Пуассона) v = 0, 2. Рост поперечных деформаций как при сжатии, так и при растяжении способствует образованию в бетоне микротрещин. Это отрицательно сказывается на морозо- и коррозиостойкости бетона.
При постройке сауны первая мысль у строителя бывает - как обеспечить правильную подачу пара?Нынешние технологии позволяют вам не беспокоиться по этому поводу, ибо создан и даже с успехом введён в эксплуатацию специальный парогенератор, позволяющий нагнетать в помещение ровно столько отличного пара, сколько вам нужно.
Деформативностью называют способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних нагрузок или других факторов. При исследовании бетона деформации подразделяют на два вида:
1) силовые, возникающие под действием внешних нагрузок;
2) температурно-усадочные или собственные, возникающие вследствие химических и физико-химических процессов твердения бетона, изменения его влажностного состояния и температуры.
К первому виду относят деформации при кратковременном нагружении и при длительном загружении (ползучесть); ко второму — деформации усадки и набухания, а также температурные деформации.
Характеристикой упругих свойств материала, подчиняющегося закону Гука, является коэффициент упругости Е, представляющий собой отношение нормального напряжения в материале а к соответствующей этому напряжению относительной деформации
При ступенчатой загрузке бетонного образца деформации, возникшие в момент приложения нагрузки, носят упругий характер ео, а деформации, появившиеся за время выдержки под нагрузкой, носят неупругий, пластический характер еп. При меньшей скорости загружения площадки, определяющие еп, становятся большими, а зависимость «о—е» более пологой.
При загружении образца упругая деформация возвращается к нулю не сразу: часть ее (~10%) становится равной нулю через некоторое время, что связано с пластическими деформациями цементного камня, препятствующими восстановлению ео заполнителя. Такую деформацию называют деформацией упругого последствия еу.п.
Поскольку бетон обладает упругопластическими свойствами, модуль упругости соответствует мгновенному загружению бетона до сравнительно малых значений о, при которых возникают в основном только ео. Этот модуль называют начальным или мгновенным модулем упругости бетона Еб. Графически он выражается тангенсом угла наклона касательной в точке начала координат:
Начальные модули упругости, принятые в СНиП И-21-75, с достаточной точностью могут быть вычислены по формулам:
- для тяжелого бетона
для бетона на пористом заполнителе Eб = 3100mVVRсж.
При этом если в качестве пористого заполнителя применен аглопоритовый гравий или туф, вычисленное значение Eб надо уменьшить на 15%, а если шлаковая пемза — увеличить на 20%. При расчете для бетонов с поризацией до 20% Eб уменьшают на 10%, при поризации более 20% — на 15%.
Динамический модуль упругости Ед, определяемый по частоте собственных колебаний образца или импульсным ультразвуковым методом, более точно характеризует упругие свойства бетона, чем Eб, на который влияют неупругие деформации, поэтому всегда Ед>Еб. Предложен ряд формул, связывающих Eд и Eб, например:
Если бетонный образец оставить в загруженном состоянии, то пластические деформации еп в нем будут возрастать в течение длительного времени, хотя нагрузка на образец не увеличивается. Свойство бетона деформироваться (ползти) во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью. При (0,3—0,6) R зависимость между еп и о считают линейной, если о>(0,3—0,6) R ползучесть относят к нелинейной, при которой структура бетона нарушается.
Для оценки линейной ползучести используют характеристику ползучести фt:
где еп(t) — относительная деформация ползучести к моменту времени ; еo — упругая деформация в момент загружения (t=0).
Безразмерная величина фt связана с применяемой при оценке ползучести мерой ползучести C(t) следующей зависимостью:
Мера ползучести С(t)=eп(t)/o зависит от возраста загружения бетона и связана с полными деформациями бетона под нагрузкой следующим соотношением:
В зависимостях (IV.4) и (IV.5) а длительно действующее напряжение; Eб — модуль упругости в момент загружения.
Коэффициент Пуассона u представляет собой отношение относительных упругих поперечных и продольных деформаций:
(здесь Aе обозначает приращение деформаций). Верхняя граница микротрещин характеризуется v=0,5.
Модуль сдвига G — отношение касательного напряжения к относительному сдвигу — определяют по теоретической зависимости:
При твердении на воздухе бетон уменьшается в объеме — происходит усадка бетона, а при твердении в воде увеличивается — происходит набухание бетона. Так как указанные деформации развиваются во всех направлениях, их называют объемными.
Усадочные деформации в процессе формирования структуры бетона связаны с химическими и физико-химическими процессами взаимодействия цемента с водой на начальных стадиях твердения бетона. Для этого периода характерен эффект контракции, определяющий усадку бетона. По данным С.В. Александровского, эта усадка мала по сравнению с влажностной, а определение ее весьма сложно. Контракционная усадка, как правило, не влияет на состояние конструкций в процессе эксплуатации и характерна лишь для весьма раннего возраста бетона.
Рассматриваемая ниже методика определения деформаций усадки учитывает суммарное влияние изменения влажности бетона, карбонизации гидрата окиси кальция и старения геля. При этом два последних процесса обусловливают необратимые деформации усадки.
Свободные относительные деформации усадки и набухания можно вычислить по формулам:
где Wн — влажность бетона, г/г, в начале набухания; Вэ — эффективная влажность бетона, обусловленная адсорбционно связанной водой, удаление которой вызывает усадку бетона; в и n — коэффициенты соответственно линейной усадки и линейного набухания бетона, представляющие собой относительную деформацию бетона (в мм/мм) вследствие изменения его относительной влажности w, г/г, в процессе равномерного высыхания или увлажнения:
Свободные деформации усадки и набухания обычно находятся в пределах: еуд =0,2—4 мм/м и енав=0,05—10 мм/м.
Предельная равномерная усадка еусф при данной относительной влажности воздуха ф равна:
(здесь Wкр — критическая влажность, представляющая собой предельное значение Wэ; Wф — расчетная равновесная влажность бетона в г/г, соответствующая относительной влажности воздуха ф).
С учетом деформаций усадки (при t=const), полная деформация бетона к рассматриваемому моменту времени t составит
При этом в еп(t) включаются все неупругие деформации под действием нагрузки в процессе загружения образца.
Свободные температурные деформации, вызванные изменением температуры, можно вычислить по формуле
где At — изменение температуры, °С; а — коэффициент линейного расширения бетона, который колеблется в пределах (0,7-1,5) 10в-5/°С, составляя в среднем 1*10в-5/°С.
При проведении экспериментальных работ по измерению деформаций усадки и ползучести существенное влияние на результаты испытаний оказывают влажность и температура воздушной среды, в которой находятся образцы (проходит испытание). Поэтому обеспечение стабильности этих параметров (t и ф) или их минимального отклонения от заданных и их контроль являются важным условием получения сопоставимых результатов.
Читайте также: