|
В бетоне различают деформации двух
основных видов: силовые, проявляющиеся под действием приложенных внешних
нагрузок и развивающиеся в направлении их действия, и несиловые, связанные с
изменением температуры и влажности окружающей среды и носящие объемный
характер. В зависимости от характера приложения и продолжительности действия
нагрузок силовые деформации бетона разделяют на деформации, возникающие при
однократном нагружении кратковременной статической нагрузкой, а также при
продолжительном и повторном действии нагрузки.
Деформации при кратковременном нагружении. Будем нагружать
бетонную призму по этапам, замеряя деформации дважды: сразу после приложения
нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой, на диаграмме
«<т4 — еь» получим ступенчатую линию ( 2.6). Деформации eAi d, замеренные
сразу после приложения нагрузки, упругие, т. е. прямо пропорциональны
напряжениям. Деформации гЬ р1, развивающиеся за время выдержки образца,
неупругие (пластические).
Упругие деформации соответствуют мгновенной скорости
загружения обраЗ- 20
ца, неупругие проявляются во времени, зависят от скорости
загружения и величины напряжений. С уменьшением скорости загружения или
увеличением времени выдержки образца под нагрузкой пластические деформации
возрастают, и зависимость а — е становится более пологой. Таким образом,
полная деформация бетона ЕЬ в любой момент времени состоит из упругой и
пластической дефораций, т. е. Еь=еь. ,1+Еь. pi-
При большом количестве ступеней загружения график аь — гь
становится криволинейным (линия 3 на 2.6). В общем случае диаграмма аь — гь
для бетона изображена на 2.7. Если в какой-то момент загружения,
соответствующий аь, нагрузку с бетонного образца снять, произойдет разгрузка
( 2.7). При полной разгрузке в образце сохраняются остаточные деформации,
которые с течением времени несколько уменьшаются. Эта часть не превышает
10... 15% от остаточных деформаций и называется деформацией упругого
последействия гЬ ер. Характер диаграммы аь — Вь при растяжении аналогичен
рассмотренному при сжатии (см. 2.6).
Модуль деформаций. Для расчета напряженно-деформирован-
ного состояния бетонных и железобетонных конструкций необходимо иметь
аналитическую зависимость, связывающую напряжения с деформациями. Такая
зависимость может быть получена из рассмотрения диаграммы аь — гь для бетона.
При небольших деформациях (аь ^ 0,2Rb) связь между деформациями и
напряжениями будет линейной и устанавливается законом Гука гь = аь\Еь, где Еь
— модуль упругости, определяемый как тангенс угла наклона касательной,
проведенной к кривой аь — еь в начале координат Eb = tg а0 = аь/Еь ( 2.7).
Ползучесть наиболее интенсивно нарастает в течение первых
3...4 мес ( 2.8, б), а ее полная величина может в некоторых случаях в 3...4
раза превышать упругие деформации. Различают ползучесть линейную и
нелинейную.
Линейная ползучесть имеет место при <г4<0,5Л4 и
обусловлена, главным образом, уплотнением геля. При этом происходит
перераспределение под нагрузкой напряжений с гелевой структуры на цементный
камень и зерна заполнителя, увеличение деформаций ползучести примерно пропорционально
увеличению напряжений. При увеличении напряжений до величин Cj>0,5i?4 в
бетоне образуются микротрещины и начинается ускоренное нарастание деформаций,
ползучесть в этом случае будет нелинейная. Ползучесть бетона во времени
затухает вследствие перераспределения напряжений с вязкой составляющей геля
на кристаллический сросток и заполнитель. Ползучесть бетона зависит от многих
факторов. Она увеличивается с возрастанием напряжений в бетоне,
водоцементного отношения и количества цемента. Уменьшается ползучесть с
увеличением возраста бетона к моменту его загружения, с повышением влажности
среды, прочности и модуля упругости каменных заполнителей. В жарком и сухом
климате ползучесть развивается быстрее и за более короткий период времени
достигает своего максимума.
Деформации бетона при многократно повторных нагруженнях.
Многократное повторение циклов загрузки и разгрузки
конструкции приводит к постепенному накапливанию в ней пластических
деформаций. После определенного числа загружения и разгрузки неупругие
деформации выбираются, и бетон начинает работать упруго ( 2.9). Такой
характер деформирования наблюдается при напряжениях, не превышающих предела
выносливости Яь.„р. При большем напряжении после некоторого числа циклов
неупругие деформации начинают неограниченно возрастать и происходит
разрушение образца.
Температурные деформации бетона. Бетон с увеличением
температуры расширяется, а с ее понижением — укорачивается.
В тех случаях, когда нагрев бетонного элемента по сечению
происходит неравномерно или температурные деформации стеснены, в нем
возникают температурные напряжения, которые могут вызвать появление
дополнительных усилий и образование трещин. Темнерагурные деформации имеют
место в сооружениях, находящихся на открытом воздухе и подвергающихся
воздействию окружающей среды, в горячих цехах, массивных сооружениях
(вследствие экзотермии) и т. п.
Влажиостные деформации бетона. Бетон обладает свойством
уменьшаться в объеме при твердении в воздушной среде (усадка) и увеличиваться
при увлажнении (набухание). Усадка, как и ползучесть, развивается в течение
длительного периода ( 2.10).
Различают усадку обратимую, связанную с испарением
свободной воды в цементном камне и обусловленную капиллярными явлениями
(натяжением менисков в порах бетона), и необратимую, происходящую в
результате потери химически связанной влаги на гидратацию цемента и, как
следствие, уменьшения объема геля.
Усадка бетона происходит наиболее интенсивно в начальный
период твердения, в дальнейшем она постепенно затухает. Усадка проявляется
тем больше, чем больше содержание в бетоне цемента, воды и чем ниже влажность
окружающей среды. Усадка повышает сцепление бетона с арматурой, вызывая ее
обжатие, что является положительным фактором.
Неравномерное высыхание бетона по объему приводит к
неравномерной усадке. Открытые поверхностные слои бетона теряют влагу быстрее
и усадка их больше, чем во внутренних, более влажных зонах. В результате
такой неравномерности во внутренних слоях бетонного тела возникают сжимающие,
а в наружных — растягивающие напряжения, приводящие к образованию
поверхностных трещин.
Уменьшение усадочных напряжений в бетоне достигается как
технологическими (уменьшение расхода цемента и отношения В/Ц, повышение
плотности бетона, увлажнение открытых поверхностей), так и конструктивными
мерами, например, устройством усадочных швов в конструкциях, постановкой
противоуса- дочной арматуры. Наиболее радикальным средством устранения усадки
является применение безусадочных цементов.
|