Строительство и ремонт

 Высокопрочный бетон

Быт. Хозяйство. Техника

Основное положение теории деформирования и прочности бетона состоит в том, что изменение различных участков диаграммы состояний при нагружении бетона связано с появлением новых особенностей деформирования или изменением прочности материала. До границы микроразрушений Rr наблюдается в основном упругая деформация бетона (главным образом кристаллического скелета цементного камня и заполнителей). Деформация ползучести бетона обусловлена временем действия нагрузки, а следовательно, и скоростью ее подъема, без учета деформаций начальной области. Линейная ползучесть характеризуется небольшим искривлением диаграммы сжатия бетона [103. Последующее нагружение выше R? связано с развитием микроразрушений материала и нарушением его целостности в микрообъемах.

Граница #? определяет наступление нелинейности ползучести за счет наложения на деформации собственно ползучести деформаций, связанных с нарушением структуры

материала [18]. Именно превышение /?? обусловлено развитием нелинейной ползучести (рис. 10). Это выражается в том, что удельные деформации ползучести (деформации,

С-10% отнесенные к единице напряжений) не сохраняют примерно постоянного значения, а начинают возрастать по мере превышения уровня границы микроразрушений.

Длительное действие нагрузки с напряжениями, превышающими Rr, вызывает разрушение структуры, что отмечается при ультразвуковых наблюдениях. Если напряжения ниже RT (рис. 11), то при длительном воздействии нагрузки такой интенсивности непрерывно снижается время распространения ультразвукового импульса, что указывает на уплотнение материала   структуры.   При   напряжении

выше уровня R® обнаруживаются признаки микроразру-шенйя структуры материала. В этом случае по ультразвуковой кривой наблюдается возрастание времени прохождения импульса через материал. Однако если величина напряжений от длительно действующей нагрузки не более то через некоторое время процесс разуплотнения прекращается, а затем наблюдается уменьшение времени распространения импульса, т. е. наступает упрочнение материала. Это упрочнение связано с активизацией процессов гидратации в цементном камне в зонах, где ранее происходило нарушение структуры. Впервые такие явления были обнаружены Ю. Н. Хромцем и О. Я. Бергом [16]. С упрочнением материала прекращается развитие нелинейной ползучести и деформации не переходят в линейную ползучесть.

При уровне напряжений выше R? на крайней кромке сжатой зоны бетона изгибаемого или внецентренно сжатого железобетонного элемента нейтральная ось заметно смещается в связи с искривлением эпюры сжимающих напряжений бетона вследствие развития пластических деформаций 2-го рода. Это явление отмечено в исследованиях В. В. Дегтерева и Ю. А. Гагарина.

При длительно действующих напряжениях,  величина которых превышает JRT, процесс образования дефектов структуры непрерывно развивается и увеличивается время прохождения ультразвукового импульса (см. рис. 11). Через некоторое время, если величина напряжений оставалась более Rr (с учетом ее повышения в период выдержки нагрузки), образец разрушался.

Граница RT определяет область выносливости бетона под действием многократно повторяющейся нагрузки. При уровне напряжений выше RT ее образец разрушается при многократно повторяющейся нагрузке. Это положение было установлено при повторении нагрузки до 14 • 106, а затем и до 40 • 106 [17]. Во время испытания образцов многократно повторяющейся нагрузкой с верхним пределом напряжений ниже /?? не обнаруживаются те изменения в деформациях и в структуре, которые наблюдаются в процессе испытания бетона в области больших напряжений.

При больших амплитудах изменения многократно повторяющейся нагрузки Ю. Н. Кардовский наблюдал отклонения ультразвуковых кривых, свидетельствующие о разуплотнении материала. Данных о достижении предела выносливости в этих условиях испытания бетона не имеется. Наблюдается разница в величине остаточных деформаций, которые накапливаются в условиях испытания длительной и многократно повторяющейся нагрузки.

Связь явлений выносливости с изменением границы Rr наблюдается как при одноосном сжатии бетона, так и при внецентренном сжатии и изгибе. В последних случаях абсолютная величина R® выше, чем при одноосном сжатии. В такой же степени повышается предел выносливости.

Остаточные напряжения, развивающиеся в области уровней напряжений от Rr до R^ при монотонном подъеме нагрузки и не связанные собственно с деформациями ползучести (линейная ползучесть), отличаются от пластических деформаций металла, и их следует рассматривать как пластические деформации 2-го рода [10]. Пластические деформации 2-го рода отражают процесс микроразрушений структуры материала и вызывают появление выраженной нелинейной ползучести. Выше границы R^ наблюдаются выраженные нарушения структуры бетона, и поэтому можно говорить об остаточных деформациях в этой области только как о псевдопластических. Псевдопластические деформации связаны с появлением больших поверхностей разрушения и развитием самоускоренных процессов деформации, приводящих к разрушению образца при длительном действии нагрузки этой интенсивности.

Следует обратить внимание на компоненты полной деформации бетона (рис. 12), которая состоит из упругой деформации е1, деформации ползучести   е11, пластических

деформаций 2-го рода еш (выше границы #?), псевдопластических деформаций eIV (выше границы R^-). Имеется еще одна важная особенность диаграммы сжатия бетона» которая заключается в том, что при первом приложении нагрузки на образец,  который до этого не нагружался, обнаруживается существенная остаточная деформация е0, характеризуемая низкими величинами модуля деформаций. Обычно при испытании бетонных образцов эти деформации не фиксируются, так как они проявляются в процессе центрирования образца перед последующим испытанием. Между тем на работу конструкции, особенно статически неопределимой, эти деформации оказывают влияние.

Можно выделить участок диаграммы сжатия бетона за точкой eIV (рис. 12). В условиях постоянной скорости роста деформаций диаграмма такого рода может быть получена без затруднений. Указанный участок диаграммы используется при расчете комбинированных изгибаемых и внецентренно сжатых элементов конструкций, в которых последующие элементы бетонируются на ранее установленных элементах,  находящихся под нагрузкой.

Полный вид диаграммы сжатия позволяет объяснить противоречия в оценке величины рассматриваемой деформации бетона. Если принимать за предельную деформацию ту ее величину, которая соответствует моменту достижения наибольшей нагрузки, т. е. в точке /?пр, то с ростом прочности бетона величина предельной деформации растет. Если считать за предельную деформацию ту, которая соответствует наибольшей достигнутой величине в конце диаграммы, то предельная деформация падает с ростом прочности бетона.

В условиях изменения температуры в сложной структуре цементного камня и в контактных зонах заполнителя возникают деформации, которые могут оказать решающее влияние на процессы зарождения разрушений и их развития.

Характер деформирования бетона в этих условиях в большой степени зависит от особенностей распределения пустот в материале, гелевых образований цементного камня, количества адсорбционно связанной и свободной воды. Данные о морозостойкости бетона обстоятельно анализировались В. М. Москвиным, М. М. Капкиным, Б. М. Мазуром и А. М. Подвальным. Они отмечают, что в пропаренном бетоне образуются крупные связанные между собой поры. Поэтому морозостойкость бетонов нормального хранения значительно выше. Замерзанием повышенного количества воды, адсорбционно связанной гидравлическими добавками, можно объяснить снижение морозостойкости бетонов на пуццолановых цементах и шлакопортландцементах по сравнению с бетонами на алитовых портландцементах.

Морозостойкость бетонов характеризуется также деформацией образцов с изменением температуры (рис. 13). Накопление остаточных деформаций вследствие неоднородного изменения материала приводит в конечном итоге к его разрушению.

Подобно многократно повторяющимся нагрузкам, попеременное замораживание и оттаивание воздействует на структуру бетона с большей интенсивностью, чем постоянная отрицательная температура. Кроме того, оказывает влияние форма образца. По данным Н. Н. Губонина и В. М. Каган, в призмах наблюдается большее снижение прочности после циклических воздействий низких температур, чем в кубиках. Во всех случаях в бетонах марки 700 прочность снижалась намного меньше, чем в бетонах марок  300  и   500.

Приведенные результаты были получены при испытании бетона с попеременным нагружением и оттаиванием, но без воздействия внешней нагрузки. Эксплуатируемые конструкции из бетона и железобетона, как правило, находятся под воздействием силовых факторов и одновременного Воздействия внешней среды, с характерными для нее изменениями температуры, влажности и химического состава. В этих условиях сопротивление материала зависит от напряженного состояния его в конструкции по отношению к параметрическим точкам R? и R^.

А. А.  Гончаров,   исследуя совместное действие напряженного состояния и попеременного замораживания и оттаивания, пришел к выводу, что приложение сжимающих напряжений интенсивностью около Rl К бетону повышает его сопротивление попеременному замораживанию и оттаиванию. Это влияние прослеживается на рис. 14. Кривые соответствуют наступлению разрушения образца после определенного количества циклов нагрузки. Закономерность изменения стойкости образца при изменении прочности бетона наблюдается на рис. 15. Кривая наибольшей стойкости бетона совпадает с уровнем RT, изменение которого описывается приведенным ранее уравнением в зависимости  от прочности  бетона.

С дальнейшим ростом интенсивности напряжений морозостойкость снижается и при уровне напряжений, соответствующих примерно i?T, морозостойкость становится такой же, как у ненагруженного бетона. Эти явления имеют прямую связь с диаграммой состояний бетона. При напряжениях выше уровня Rr наблюдается снижение морозостойкости бетона за счет его дополнительного разуплотнения.

При действии растягивающих напряжений наблюдается существенное снижение морозостойкости, особенно в растянутой зоне бетона изгибаемых элементов, что было установлено в исследованиях В. М. Москвина и А. М. Подвального. Это явление связано с процессами микроразрушения структуры бетона при растяжении, начиная с некоторой границы напряженного состояния.

Границы, соответствующие параметрическим точкам, следует рассматривать как зоны определенной ширины, что обусловлено природой материала.

С целью оценки свойств материала диаграмма состояний строится на основании результатов испытания незагружавшегося ранее образца-призмы (отношение сторон желательно 4:1) монотонно возрастающей нагрузкой до разрушения. Диаграмма состояний обобщенно отображает многочисленные параметры материала в условиях напряженного состояния. Естественно, что бетоны, имеющие разные начальные структуры цементного камня, разные характеристики бетонной смеси и условия твердения, будут иметь разные диаграммы состояний. Но бетоны одинакового состава и структуры, подвергнутые извне воздействию длительной или многократно повторной нагрузки, агрессивной среды, попеременного замораживания и оттаивания, температуры, будут иметь различные диаграммы состояний. Анализ этих диаграмм дает более широкую информацию, чем, например, анализ только величин динамического модуля упругости, предела прочности бетона и др.

Основные изменения диаграмм состояний (рис. 16) заключаются в смещении кривой в область упрочнения или разупрочнения, изменений степени уплотнения Att материала под нагрузкой после различных воздействий и смещений  Л/?т параметрических точек.