5. Деформативные характеристики бетона
Для любых материалов, помимо данных о прочности, необходимо иметь характеристики деформативности, с помощью которых можно определять смещения.
Деформативность твердых тел – их свойство изменять форму и размеры под действием силовых и несиловых факторов. Деформации разделяют на силовые и несиловые. Силовые деформации возникают при действии внешних сил, развиваются в направлении действия этих сил и проявляются в виде деформаций сжатия, растяжения, сдвига. Силовым продольным деформациям также соответствуют поперечные деформации.
Несиловые деформации (усадка, набухание, температурные воздействия) являются объемными и развиваются одинаково во всех направлениях.
Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия подразделяются на три вида:
- при однократном нагружении кратковременной нагрузкой;
- при длительном действии нагрузки;
- при многократно повторном действии нагрузки.
Связь между деформативными и прочностными характеристиками бетона устанавливается с помощью диаграмм «напряжения – деформации» (b - b), получаемых при испытаниях на осевое сжатие бетонных призм.
5.1. Деформации бетона при однократном кратковременном загружении. Бетонная призма с установленными приборами или наклеенными тензодатчиками для замера деформаций (рис. 14, а) загружается по ступеням величиной 0,1…0,2 от ожидаемой разрушающей нагрузки. На каждой ступени деформации замеряются дважды: первый раз – сразу после приложения нагрузки, второй – после выдержки в 5 – 7 минут под нагрузкой. График в координатах «b – b» представляет ступенчатую линию (рис. 14, б). Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие е, подчиняющиеся закону Гука (линейная зависимость деформаций от напряжений); деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, неупругие pl и на графике представлены горизонтальными площадками. Следовательно, полная деформация бетона на каждой ступени складывается из упругой e = b / Eb (восстанавливающейся) и неупругой pl = f(t, b / Rb, B) (не восстанавливающейся после разгрузки):
b = e + pl. (2.14)
При достаточно большом количестве ступеней нагружения зависимость «b – b» можно изобразить плавной кривой (рис. 14, 15).
Рис. 14. Определение продольных деформаций бетона при сжатии:
а – опытный образец (призма) с наклеенными электротензодатчиками; б – опытная диаграмма b – b при приложении нагрузки ступенями; 1 – прямая упругих деформаций; 2 – кривая полных деформаций
Рис. 15. Диаграмма b – b при сжатии и растяжении:
I – область упругих деформаций; II – область неупругих деформаций; 1 – прямая упругих деформаций;
2 - восходящая ветвь диаграммы; 3 – разгрузка; 4 – нисходящая ветвь диаграммы; bu – предельная сжимаемость; btu – предельная растяжимость; b,max – максимальная сжимаемость при нисходящей ветви диаграммы
Из диаграммы видно, что при малых напряжениях (b 0,2Rb) бетон деформируется линейно как упругий материал, подчиняющийся закону Гука. При напряжениях b > 0,25Rb в бетоне возникают неупругие (нелинейные) деформации (часто их называют пластическими), которые развиваются во времени и зависят от скорости приложения нагрузки и уровня напряжений b / Rb. Все же при напряжениях в бетоне b 0,5Rb превалируют упругие деформации (e 0,8b).
При напряжениях b 0,5Rb неупругие деформации нарастают более интенсивно (что связано и с развитием микротрещин), кривая«b – b» становится более пологой, полные деформации b увеличиваются.
Если в какой-то момент загружения, соответствующий b, нагрузку снять, произойдет разгрузка. После полной нагрузки в образце сохраняются накопленные неупругие деформации. Небольшая доля остаточных деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки восстанавливается (ep на рис. 15) и называется деформацией упругого последействия.
К концу нагружения,
когда напряжения b
превосходят верхнюю границу
микротрещинообразования
,
рост неупругих
деформаций резко увеличивается,
микроразрушения переходят в макроразрушения
и образец разрушается. Если по
мере падения
сопротивления удается в
той же мере снижать
нагрузку,
то можно получить нисходящую
ветвь 4
диаграммы.
Деформации бетона bu , соответствующие максимальным напряжениям Rb на диаграмме b – b , характеризуют предельную сжимаемость бетона и колеблятся в пределах 0,001…0,003 в зависимости от класса бетона, его состава, плотности и скорости нагружения.
Для количественной оценки деформативных свойств используют такие характеристики, как начальный модуль упругости и модуль упругопластичности.
Начальный модуль
упругости бетона Eb
соответствует только упругим деформациям
(т.е. при напряжениях b
0,2Rb)
и равен
.
(2.15)
При напряжениях
b
> 0,2Rb
зависимость b
– b
становится нелинейной, модуль в каждой
точке диаграммы получается переменным
(как тангенс угла наклона касательной
5 к кривой полных деформаций в точке с
напряжением b
, рис. 16):
,
и определение полных деформаций
затруднительно, т.к. общепринятой
аналитической зависимости для модуля
полных деформаций бетона пока не
предложено.
Рис. 16. К определению модуля упругости и модуля упругопластичности:
1 – область упругих деформаций; 2 – область пластических деформаций; 3 – прямая упругих деформаций;
4 – секущая; 5 – касательная; 6 – кривая полных деформаций
Для практических расчетов используется модуль упругопластичности, представляющий тангенс угла наклона секущей 4, проведенной из начала координат диаграммы b – b в точку с заданным напряжением b (см. рис. 16), т.е.
(2.16) Между
начальным модулем упругости Eb
и модулем упругопластичности
имеется очевидная связь:
откуда
=
и
=
(2.17)
где
- коэффициент
упругости бетона, с увеличением напряжений
и продолжительности действия нагрузки
значения
уменьшаются;
-
коэффициент пластичности бетона.
Диапазон изменения этих коэффициентов составляет: 1,0 > > 0,15; 0,85 0.
В практических расчетах начальный модуль упругости тяжелых бетонов естественного твердения рекомендуется определять по формуле
(2.18)
В приложении СНиП 52-01-2003 приведены значения начальных модулей упругости для всех видов и классов бетона.
При осевом растяжении, как и при сжатии, диаграмма b – b криволинейна. Начальные модули упругости бетона при растяжении Ebt и при сжатии Eb отличаются незначительно и могут быть приняты одинаковыми (см. рис. 16, 15).
По аналогии вводится понятие модуля упругопластичности, а также коэффициентов упругости и пластичности бетона при растяжении
.
(2.19)
Если растягивающее
напряжение в бетоне приближается к
временному сопротивлению осевому
растяжению
среднее
значение
=
0,5.
5.2. Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки неупругие деформации с течением времени значительно увеличиваются (рис. 17, а).
Рис. 17. Деформативность бетона во времени:
а – рост деформаций ползучести во времени; б – опытный образец;
в – релаксация (снижение) напряжений в бетоне с течением времени; 1 – связи
Нарастание неупругих деформаций бетона при длительном действии нагрузки называется ползучестью. Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Наибольшая интенсивность нарастания деформаций ползучести наблюдается в первые 3…4 месяца после загружения, затем рост постепенно замедляется и через несколько лет прекращается. Замечено, что нарастание деформаций ползучести прекращается одновременно с окончанием нарастания прочности бетона.
Деформации ползучести развиваются, главным образом, в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3…4 раза, что заставляет считаться с ними и учитывать при расчете и проектировании железобетонных конструкций.
Ползучесть условно
разделяют на линейную
и нелинейную.
При линейной ползучести зависимость
между напряжениями и деформациями
ползучести можно считать линейной, что
имеет место при напряжениях b
(
- напряжение, соответствующее нижней
границе микротрещинообразования), можно
считать при b
0,5R.
Линейная ползучесть во времени затухает,
асимптотически приближаясь к предельному
значению (рис. 18).
Рис. 18. Развитие деформаций ползучести во времени:
а – при разных напряжениях; б – при загружении в различном возрасте
Затухающий во времени характер ползучести обусловлен:
- уменьшением в объеме гелевой (вязкой) структурной составляющей цементного камня (в основном, именно она подвержена ползучести);
- перераспределением напряжений с гелевой составляющей на кристаллический сросток, а с него – на заполнители.
При напряжениях b > имеет место нелинейная ползучесть, при которой деформации растут быстрее напряжений. В этом случае, кроме указанных выше явлений, возникают и развиваются микротрещины. Такие необратимые нарушения структуры ведут к ускоренному нарастанию деформаций.
Величина деформации ползучести зависит от очень многих факторов. Опыты показывают, что ползучесть увеличивается с повышением содержания цемента и воды; уменьшается - при применении более плотных заполнителей и увеличении влажности среды, снижении температуры среды, увеличении массивности конструкций (масштабный фактор – образцы с меньшими размерами поперечного сечения при прочих равных условиях показывают большую деформацию ползучести).
Определенное влияние на ползучесть оказывают вид напряженного состояния, уровень напряжений в бетоне, возраст бетона к моменту загружения:
- с увеличением напряжения ползучесть возрастает ( см. рис. 18, а);
- чем в более позднем возрасте загружается бетон, тем ниже деформации ползучести, т.к. увеличивается и упрочняется кристаллический сросток, количество геля уменьшается, а вязкость его увеличивается.
Для количественной оценки деформаций ползучести служат:
- характеристика
ползучести
;
- мера ползучести Ct.
Характеристика ползучести – это отношение деформации ползучести в момент времени t к упругим деформациям в момент загружения t0:
(2.20)
Так как t может меняться от 0 до , удобнее пользоваться коэффициентами пластичности и упругости :
= b
и el
= b
, тогда t
=
/ .
(2.21)
Мера ползучести представляет отношение деформации ползучести, накопившейся к моменту времени t к действующим постоянным напряжениям:
(2.22)
а т.к.
= b
и
=
,
то
Сt
=
,
или
.
(2.23)
Зная меру ползучести, из 2.22 найдем и деформацию ползучести в момент времени t:
= Ctb.
Предельное значение
деформации ползучести можно выразить
через предельную
меру ползучести
(для времени t
)
как
.
(2.24)
Осредненная зависимость предельной меры ползучести от прочности бетона приведена на рис. 19. Зная предельную меру ползучести и постоянные напряжения, по (2.24) легко определить относительные и абсолютные удлинения (укорочения) к моменту стабилизации деформирования t . Например, толщина швов между элементами облицовки (в направлении сжимающего усилия), прикрепляемой к сжатым граням каменных, бетонных или железобетонных элементов:
(2.25)
где h – высота облицовки в направлении действия сжимающего усилия.
Рис. 19. Зависимость предельной меры ползучести Cbu от класса бетона
при напряжениях в бетоне b = 0,5Rb
С ползучестью тесно связано явление релаксации напряжений, представляющее процесс снижения напряжений во времени при неизменной (зафиксированной) начальной деформации. Если бетонному образцу придать некоторое начальное напряжение bc и начальную деформацию bc (рис. 17, б), а затем ввести связи, препятствующие возможности дальнейшего деформирования, то с течением времени напряжения в бетоне будут уменьшаться, стремясь асимптотически к некоторой конечной величине (рис. 17, в). Это свойство обусловливает перераспределение напряжений между бетоном и арматурой (разгружение бетона и нагружение арматуры) во времени, происходящее в сжатых железобетонных элементах.
Ползучесть и релаксация напряжений бетона (реологические свойства бетона) оказывают существенное влияние на работу железобетонных конструкций при длительном действии нагрузки. Эти свойства обусловливают рост прогибов, снижают предварительные напряжения в арматуре, способствуют перераспределению усилий в железобетонных статически неопределимых системах.
5.3. Усадка бетона. Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в воздушной среде (усадка) и увеличиваться при увлажнении (набухание). Усадка, как и ползучесть, развивается во времени (рис. 20, б). б
Рис. 20. Деформации усадки бетона:
а – объемный характер усадки бетона; б – развитие усадки и набухания бетона и железобетона во времени;
Различают усадку обратимую, связанную с испарением свободной воды в цементном камне и обусловленную капиллярными явлениями (натяжение менисков в порах бетона), и необратимую, происходящую в результате потери химически связанной влаги на гидратацию цемента и, как следствие, уменьшение объема геля.
Усадка происходит наиболее интенсивно в начальный период твердения и в течение первого года, а затем затухает (рис. 20,б). Зависит она от ряда факторов:
- количество и вид цемента (чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка);
- количество воды (чем больше В/Ц, тем больше усадка);
- влажность среды твердения бетона (чем больше влажность, тем меньше усадка);
- крупность и вид заполнителей (при мелкозернистых песках и пористых заполнителях усадка больше) и другие.
Неравномерное по объему высыхание бетона приводит к неравномерной усадке, что ведет к образованию начальных усадочных трещин. Действительно, открытые поверхностные слои высыхают быстрее и усадка их больше, чем во внутренних, более влажных зонах. Такая неравномерность вызывает во внутренних слоях сжимающие, а в наружных – растягивающие напряжения, приводящие к образованию поверхностных трещин в еще неокрепшем бетоне.
Таким образом, усадка в целом является причиной возникновения в бетоне «собственных» начальных напряжений, которые могут понижать трещиностойкость и жесткость конструкций. В предварительно напряженных конструкциях усадка бетона вызывает потери предварительного напряжения арматуры.
Уменьшение усадочных напряжений достигается мерами:
- технологическими (уменьшение количества цемента и В/Ц, повышение плотности бетона, увлажнение открытых поверхностей, применение безусадочных цементов);
- конструктивными (устройством усадочных швов в конструкциях, постановкой противоусадочной арматуры).
Средние значения деформации усадки тяжелого бетона составляют (2…4)10-4, т.е. укорочение составляет 0,2…0,4 мм/м.
5.4. Деформации бетона при многократно повторной нагрузке.
Зависят от величины сжимающих напряжений в бетоне. При напряжениях b Rbf (ниже предела выносливости бетона) после достаточно большого количества циклов нагрузка-разгрузка неупругие деформации постепенно выбираются и бетон начинает работать упруго. В этом случае число циклов загружений может быть практически неограниченным без снижения прочности бетона.
При напряжениях b > Rbf диаграмма b – b сначала выпрямляется (прямая 4 на рис. 21), а затем начинает искривляться все больше и больше, но уже в обратном направлении (кривая 5, 6, рис. 21), т.е. происходит неограниченное нарастание неупругих деформаций вследствие нарушений структуры бетона (в частности, образования микротрещин) и затем наступает хрупкое разрушение бетона.
Рис. 21. Зависимость между деформациями и напряжениями при повторных нагружениях:
3 – первичное нагружение; 4 – 675 циклов; 5 – 10,5104 циклов; 6 – 34,1104 циклов
