Какие показатели имеют усадка и набухание железобетона по сравнению с бетоном

Обновлено: 02.05.2024

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т. е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционный составляющих. Как показали исследования А. Е. Шейкина и С. В. Александровского, испарение воды из цементного геля сопровождается сближением его частиц и является причиной влажностной усадки. В этом смысле усадку бетона можно назвать «укорочением» от высыхания. Карбонизация содержащегося в цементном камне гидрата окиси кальция с переходом его в углекислый кальций также вызывает усадку, особенно заметную в ячеистых бетонах. Обычные измерения дают общую величину усадки бетона, слагающуюся из влажностной и карбонизационной составляющих. Контракционная составляющая усадки, вызванная уменьшением абсолютного объема системы цемент — вода, невелика и составляет всего около 10% от влажностной усадки.

Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.

Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня (рис.79).


Рис. 79. Кривые усадки: 1 — цементного камня; 2 — раствора; 3 — бетона


Рис. 80. Кривые деформации бетона (а) и изменения его влажности (б), вызванные попеременным высыханием и увлажнением (восходящие ветви — усадка, нисходящие — набухание) (по С. В. Александровскому)

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания (рис. 80), которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

Наличие арматуры существенно уменьшает усадку и набухание бе­тона. Это объясняется тем, что арматура вследствие сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона (рис. 29).

Опыты показали, что при μ = 2% деформации усадки железобе­тонных элементов уменьшаются в 1,5. 2 раза, при μ = 5% – более чем в 3 раза по сравнению со свободной усадкой бетона ( ).

Для определения деформации усадки железобетона при старом (зрелом) бетоне естественного твердения можно пользоваться формулой:

где μ – процент армирования сечения. Т.е. при μ = 1% , при μ = 2% – , а при μ = 10% – .

Стеснение (ограничение) арматурой деформаций усадки бетона приводит к возникновению в железобетонном элементе собственных или начальных внутренне уравновешенных напряжений: растяже­ния в бетоне и сжатия в арматуре.

Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента ( )и стесненной усадки армированного элемента ( ) (см. рис. 29)


(1.27)

в поперечных сечениях железобетонного элемента возникают растя­гивающие напряжения в бетоне , средние значения которых опреде­ляются по формуле:


(1.28)


Рис. 29. Деформации усадки образцов:

а – бетонного; б – желе­зобетонного

Наибольшие значения этих напряжений находятся в зоне контак­та бетона с арматурой.



где As – площадь сечения продольной арматуры;

А – площадь се­чения элемента.

Из (1.30) находим напряжения в продольной арматуре


(1.31)

где — коэффициент армирования сечения.

Если подста­вить в (1.27) деформации, выраженные через напряжения, по фор­мулам (1.28), (1.29), (1.31), то получим следующее выражение:


Из него получаем значение средних растягивающих напряжений в бетоне, действующих в поперечном сечении железобетонного эле­мента


(1.32)

где – отношение модулей упругости арматуры и бетона;

,здесь – коэффициент упругопластических деформа­ций бетона при растяжении.

Из (1.32) видно, что при усадке железобетона растягивающие напряжения в бетоне зависят от величины деформации свободной усадки бетона ( ),процента армирования и класса бетона В,т.е. . С увеличением μ сжимающие напряжения в ар­матуре уменьшаются, а растягивающие напряжения в бетоне возрастают и, если они достигают временного сопротивления при рас­тяжении , то в железобетонном элементе возникают усадочные трещины. Если задаться деформацией усадки бетона ( ),величиной и принять ,то из выражения (1.32) можно найти коэф­фициент армирования, при котором появляются трещины. Обычно при этом принимают наибольшей и постоянной для всех классов бетона, равной 0,0003, ,также независимо от класса бетона, при­нимается равным 0,5. Вычисленные при этих значениях коэффици­енты армирования получаются сравнительно высокими.

Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки спо­собствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железо­бетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки.

В статически неопределимых железобетонных конструкциях (ар­ках, рамах и т.п.) лишние связи препятствуют усадке железобетона, вызывая появление дополнительных внутренних усилий.

Влияние усадки эквивалентно понижению температуры на опре­деленное число градусов. Это позволяет заменять расчёт на дей­ствие усадки расчётом на температурные воздействия. Для практи­ческих расчетов при μ = 2. 3% среднюю величину усадки железо­бетона часто принимают равной = 1,5 • 10 -4 , что равносильно понижению температуры на 15°С (так как коэффициент линейной температурной деформации бетона ).

При твердении бетон неизбежно подвержен образованию деформаций усадки. Особенно активно этот процесс происходит в первые сутки и может достигать 70% от общей величины. Однако это иногда затягиваться и до года. Впоследствии процесс замедляется и в пассивном режиме протекает на протяжении всего периода твердения.

Наибольшую усадку дает бетонная смесь в атмосферных условиях твердения. Она обусловлена скоростью испарения влаги, необходимой для протекания гидратации и твердением цементного камня. По мере набора прочности в структуре бетона образуются цементные сростки, которые приводят к затуханию усадки.

В целом выделяют три составляющие:

  • Влажностную. Протекает при испарении влаги из капилляров монолита.
  • Карбонизационную. Связана с уменьшением цементного камня в объеме.
  • Контракционную. Характеризуется уменьшением объема в общем, протекает в процессе гидратации и связывании цемента с водой.

Параметры, влияющие на усадку

Существует несколько факторов, способных оказать влияние на протекание усадки:

  • Марка и количество гидравлического вяжущего. Применение высокой марки и большого количества цемента в составе способствует увеличению усадки.
  • Количество влаги. Чем выше показатель водоцементного отношения, тем выше усадка.
  • Фракция заполнителей. Крупный заполнитель создает своеобразный скелет, препятствующий осаживанию бетонной смесь. Для более прочного построения такой структуры лучше всего применять разно фракционный щебень, который позволит добиться равномерной структуры и заполнит все пустоты.
  • Химические добавки. Применение ускорителей схватывания приводит к увеличению усадки, в то время, как пластификаторы напротив делают смесь более уплотненной и максимально сокращают деформативные процессы.

Скорость протекания усадочных процессов тесно связана с влажностью окружающей среды. Чем выше количество влаги, тем меньше деформация. Для предотвращения появления трещин, бетону нужно обеспечить должный уход сразу после заливки. С целью сохранения влаги, его накрывают пленкой и периодически увлажняют.

В протяженных линейно конструкциях для избегания трещинообразования конструктивно устраивают деформационно-усадочные швы. Они компенсируют перемещения и позволяют сохранить целостность конструкции.

Набухание бетона

Набухание, процесс обратный усадке, который характеризуется расширением и увеличением бетона в объеме. Протекает за счет увеличения влагосодержания в готовом изделии. Во время эксплуатации изделия на открытом воздухе этот процесс может протекать неоднократно. Развиваться во время увлажнения, в момент выпадения осадков, и восстанавливаться при высушивании и испарении влаги.

Особо остро вопрос набухания стоит в различных гидротехнических сооружениях, таких как тоннели, дамбы, резервуары для воды. Они подвержены попеременному увлажнению и высушиванию. С течением времени это неизбежно ведет к образованию трещин. Первой мерой, позволяющей это исключить, является применение бетонных составов с высоким показателем водонепроницаемости.

По сравнению с усадкой, набухание протекает значительно медленнее и несет за собой гораздо меньшие деформации В количественном выражении он может доходить до 10%. Обусловлен процесс наличием в толще смеси микропор, способных при эксплуатации напитывать в себя жидкость. Первым и главным способом улучшить качество бетона по всему объему, и избежать образования капилляров является качественное уплотнение. Оно может производится как механическим вибрированием, так и введением химических добавок в состав.

Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объеме при твердении в воде (набухание бетона). Бетоны, приготовленные на специальном цементе (расширяющемся или безусадочном), не дают усадки. Усадка бетона, как показывают опыты, зависит от ряда причин: 1) количества и вида цемента — чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка, при этом высокоактивные и глиноземистые цементы дают большую усадку: 2) количества воды — чем больше W/C, тем больше усадка; 3) крупности заполнителей — при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше.
Влияние заполнителей на уменьшение усадки тем сильнее, чем выше их способность сопротивляться деформированию, т. е. чем выше их модуль упругости. При разной крупности зерен заполнителей и меньшем объеме пустот меньше и усадка. Различные гидравлические добавки и ускорители твердения (например, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку.
Обычно усадка бетона происходит наиболее интенсивно в начальный период твердения и в течение первого года, в дальнейшем она постепенно затухает. Скорость усадки зависит от влажности окружающей среды — чем меньше влажность, тем больше усадочные деформации и выше скорость их роста. Усадка бетона под нагрузкой при длительном сжатии ускоряется, а при длительном растяжении, наоборот, замедляется.
Усадка бетона связана с физико-химическими процессами твердения и уменьшения объема цементного геля, потерей избыточной воды на испарение во внешнюю среду, на гидратацию с еще непрореагировавшими частицами цемента. По мере твердения цементного геля, уменьшения его объема и образования кристаллических сростков усадка бетона затухает. Капиллярные явления в цементном камне, вызванные избыточной водой, также влияют на усадку бетона — поверхностные натяжения менисков вызывают давление на стенки капилляров, происходят объемные деформации.
Усадке цементного камня в период твердения бетона препятствуют заполнители, которые становятся внутренними связями, вызывающими в цементном камне начальные растягивающие напряжения. По мере твердения геля образующиеся в нем кристаллические сростки становятся такого же рода связями. Неравномерное высыхание бетона приводит к неравномерной его усадке, что в свою очередь, ведет к возникновению начальных усадочных напряжений. Открытые, быстрее высыхающие поверхностные слои бетона испытывают растяжение, в то время как внутренние, более влажные зоны, препятствующие усадке поверхностных слоев, оказываются сжатыми. Следствием таких начальных растягивающих напряжений являются усадочные трещины в бетоне.
Начальные напряжения, возникающие под влиянием усадки бетона, не учитывают непосредственно в расчете прочности железобетонных конструкций; их учитывают расчетными коэффициентами, охватывающими совокупность характеристик прочности, а также конструктивными мерами — армированием элементов. Уменьшить начальные усадочные напряжения в бетоне можно технологическими мерами — подбором состава, увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, увлажнением поверхности бетона и др., а также конструктивными мерами — устройством усадочных швов в конструкциях.



Сцепление арматуры с бетоном является очень важным свойством железобетона, так как оно обеспечивает совместную работу материалов, входящих в состав железобетона. Для того чтобы выдернуть забетонированный стержень из затвердевшего бетона, необходимо приложить определенную силу N (рис. 2.1, д, ё). Длина анкеровки арматурных стержней (длина их закрепления в бетоне) зависит от прочностных характеристик бетона и арматуры, а также от ее диаметра. При сжатии стержня необходимая длина анкеровки уменьшается, так как диаметр арматуры увеличивается в результате поперечного расширения стали. Исследования показывают, что при выдергивании стержня из бетона касательные на пряжения сцепления распределяются неравномерно.

Сначала максимальное напряжение сцепления возникнет вблизи наружной грани. С ростом усилия по мере нарушения сцепления между бетоном и арматурой эпюра напряжений смещается к внутреннему концу стержня, что в итоге может привести к выдергиванию стержня из бетона. Отношение усилия N в стержне к поверхности заделки определяют как среднее (условное) напряжение сцепления:


Исследованиями также установлено, что сцепление зависит от трех факторов: склеивания арматуры с бетоном, усилия трения арматуры о бетон, вызываемого усадочными деформациями, механического зацепления арматуры в бетоне. Рассмотрим влияние и роль каждого из этих факторов.

Известно, что гель цементного камня обладает клеющей способностью и при твердении склеивает металл с бетоном; например, при изготовлении железобетонных конструкций в металлической опалубке поверхность ее смазывают, чтобы предотвратить склеивание бетона с формой; прочность склеивания обычно невелика — 0,2. 0,5 МПа. Известно также, что при твердении бетона развиваются деформации усадки, бетон уменьшается в обтеме и обжимает арматуру. Чем больше это обжатие, тем большие силы трения приходится преодолевать при перемещении арматуры относительно бетона.

Сопротивление сдвигу арматуры, вызванное усадкой бетона, составляет примерно 10. 15% от общего сцепления. Кроме того, поверхность арматуры имеет неровности, заполняемые бетоном; при сдвиге стержня необходимо приложить усилие, способное срезать бетон, заполнивший неровности по периметру арматуры; чем больше неровности на поверхности арматуры, тем больше объем срезаемого бетона и выше усилие выдергивания. Для улучшения сцепления арматуры с бетоном ее поверхность делают ребристой, т. е. создают периодический профиль; при арматуре периодического профиля сцепление возрастает примерно в два раза; прочность сцепления возрастает также с увеличением прочности бетона. Если длина заделки недостаточна, то концы стержней снабжают коротышами или шайбами. В случае применения арматуры класса А-I устраивают крюки на концах стержня.

Усадка и ползучесть железобетона. Железобетон, как и бетон, подвержен усадке и ползучести. Арматура и бетон благодаря возникающему между ними сцеплению деформируются совместно, причем наличие арматуры препятствует свободному протеканию усадки и ползучести. При усадке бетона возникают сжатие в арматуре и растяжение в бетоне. Растягивающие напряжения в бетоне тем больше, чем больше количество арматуры. Иногда эти напряжения приводят к трещинообразованию. При проектировании протяженных железобетонных конструкций устраивают усадочные швы, которые предупреждают появление усадочных трещин в бетоне.

Ползучесть бетона под длительно действующей нагрузкой вызывает перераспределение напряжений между бетоном и арматурой. В сжатых железобетонных элементах усадка и ползучесть производят одинаковый эффект, уменьшая сжимающие напряжения в бетоне и увеличивая их в арматуре. Вследствие ползучести бетона оба материала деформируются вплоть до стадии разрушения, несмотря на значительную разницу в их предельных деформациях. В растянутых железобетонных элементах, наоборот, ползучесть и усадка действуют в противоположных направлениях.

Деформации ползучести оказывают положительное влияние на работу коротких сжатых железобетонных элементов, позволяют полностью использовать прочность бетона и арматуры. Вместе с тем в изгибаемых (а также гибких сжатых) железобетонных элементах ползучесть вызывает увеличение прогибов; в гибких сжатых элементах это может привести к падению несущей способности.

Влияние температуры на железобетон. В условиях систематического воздействия на бетон повышенных температур (до 20°С) его прочности может снизиться на 30%. При длительном действии более высоких температур (500. 600° С) и последующем охлаждении бетон может полностью разрушиться. Однако при кратковременном действии высоких температур и огня (пожар) железобетон может в течение нескольких часов сохранить свою несущую способность. Предел огнестойкости зависит от размеров конструктивной схемы железобетонного элемента, вида арматуры и особенно от толщины защитного слоя бетона, который предохраняет арматуру от непосредственного действия огня.

Коррозия железобетона. Одно из преимуществ бетона и железобетона — долговечность. Однако неблагоприятное сочетание постоянных и переменных нагрузок с воздействием различных физико-химических процессов среды вызывает коррозию бетона и стальной арматуры, что может привести к разрушению конструкций. При недостаточной плотности в условиях фильтрации воды (особенно мягкой) растворяется составная часть цементного камня — гидрат оксида кальция (один из видов коррозии бетона). Коррозия бетона возникает также под действием кислых газов (в сочетании с повышенной влажностью), растворов солей, кислот и т. д.

Коррозионная стойкость железобетонных конструкций определяется плотностью бетона и степенью агрессивности среды. Для предотвращения или замедления коррозии бетона следует применять бетоны на цементах, менее подвергающихся воздействию данного вредного реагента. Общими требованиями являются применение прочных бетонов с плотной структурой (W/C = 0,3. 0,4), соблюдение технологии их приготовления, укладки в формы и ухода в период твердения. Наиболее плотный бетон получают при использовании фракционированных высокопрочных заполнителей. Образование раковин, пористости и расслоения бетона недопустимо с точки зрения его долговечности. Эффективная защита бетона от коррозии достигается окраской поверхности, обмазкой, склейкой или пропиткой защитными материалами. Успешно защищают бегоь также полиэтиленовыми листами с анкерами, закрепленными при бетонировании.

Скорость коррозии арматуры в обычных условиях составляет 0,1 мм в год, при неблагоприятных условиях, т. е. в условиях влажной среды она выше. Объем прокорродировавшего металла в 2. 3 раза больше, чем до коррозии, поэтому по контуру арматуры создается радиальное давление, вызывающее образование продольных трещин и откол защитного слоя бетона. В нормальных условиях эксплуатации защита арматуры от коррозии внутри бетона обеспечивается щелочной средой (гидроксид кальция). Поэтому не следует добавлять в бетон солей хлоридов, особенно при армировании конструкций высокопрочной проволокой.

При заводском изготовлении железобетонных конструкций необходимо обеспечивать условия хранения арматуры, исключающие возможность коррозии, которая может продолжаться внутри бетона. Наиболее опасна коррозия арматуры в силикатных, ячеистых бетонах, бетонах на пористых заполнителях. Особое значение имеет правильный выбор толщины за щитного слоя бетона, предохраняющего арматуру от коррозии (см. ниже гл. 7).

Плотность железобетона принимается равной 2500 кг/м3, в случае укладки бетонной смеси без вибрирования — 2400 кг/м3. При значительном содержании арматуры (свыше 3%) плотность железобетона определяют как сумму масс бетона и арматуры в 1 м3 объема конструкции. Средняя плотность легкого железобетона определяется так же, как сумма масс бетона и арматуры в 1 м3 объема конструкции.

Контрольные вопросы 1. Как подразделяется арматура по своему назначению и по технологии изготовления? 2. Какие существуют классы арматурной стали, как они применяются в железобетонных конструкциях? 3. Каковы основные пути экономии арматурной стали в железобетоне? 4. Какие меры применяют для улучшения сцепления арматуры с бетоном? 5. Как отражается усадка и ползучесть бетона на работе железобетонных элементов? 6. Как влияют на железобетон повышенные температуры? 7. Какие меры нужно принимать для защиты железобетона от коррозии?

Читайте также: