2.3 Деформации бетона

В бетоне различают два вида деформаций:

- объемные, которые развиваются во всех направлениях от усадки и изменения температуры и влажности;

- силовые, которые развиваются вдоль действия силы.

Объемные деформации.

Одной из основных причин объемных деформаций бетона является усадка. Происходит по двум причинам:

- из-за процесса гидратации цемента;

- из-за изменения влаги в бетоне при твердении на воздухе.

Влажностная усадка связана с изменением влагосодержания бетона; она частично обратима: при твердении на воздухе происходит уменьшение объема (усадка), а при достаточном притоке влаги (твердение в водной среде) - увеличение объема (набухание). Деформации в результате влажностной усадки бетона в 10-20 раз превышают деформации собственной усадки, поэтому изменения влагосодержания бетона -основной источник усадочных деформаций.

Величина усадки (или набухания) зависит от:

- вида цемента;

- состава бетона;

- способов укладки и ухода за бетоном;

- температурно-влажностных условий среды.

Относительная деформация тяжелого бетона при усадке составляет , бетона на пористых заполнителях .

Развитие усадки начинается с поверхности и постепенно по мере высыхания бетона распространяется вглубь. Это нередко приводит к растрескиванию поверхности бетона, наблюдаемому при быстром его высыхании (например, под действием солнечных лучей). Усадка является причиной образования в бетоне «собственных» напряжений, которые понижают трещиностойкость и жестокость конструкций, а следовательно водонепроницаемость и долговечность сооружений. В предварительно напряженных конструкциях усадка бетона приводит к потерям предварительного напряжения.

При изменении температуры деформации бетона зависят от коэффициента линейной температурной деформации бетона. Коэффициент зависит от:

- вида цемента;

- вида заполнителя;

- влажностного состояния бетона.

При изменении температуры среды от -50 до +50 ⁰С коэффициент для тяжелых бетонов , для бетонов на пористых заполнителях .

Силовые деформации.

При однократном загружении бетонного образца сжимающей нагрузкой диаграмма напряжения-деформации имеет криволинейный характер.

В бетоне под действием нагрузки одновременно с упругими развиваются также неупругие деформации. Образование неупругих (пластических) деформаций связано с ползучестью бетона, т. е. его способностью деформироваться во времени даже при неизменной нагрузке. Опыты показали, что причиной отклонения диаграммы напряжения-деформации для бетона от прямолинейной зависимости Гука является фактор времени. При мгновенном загружении образца деформации бетона следуют закону Гука и зависимость становится линейной.

Такая прямая касательная к действительной диаграмме в начале координат, а тангенс угла наклона ее к оси абсцисс представляет собой модуль упругости бетона:

Е_b =tg (17.1)

Рис. 17.1. Диаграммы напряжения—деформации бетона при сжатии:

1 — упругие деформации; 2 — секущая; 3 — касательная; 4— полные деформации

Если образец загружают ступенями, причем после каждой ступени загрузки образец выдерживают некоторое время при неизменном напряжении, и замеряют деформации, возникающие сразу посте приложения нагрузки и после выдерживания образца под неизменной нагрузкой, то диаграмма примет ступенчатый характер (рис. 17.1, а, пунктир). Наклонные линии соответствуют развитию упругих деформаций, пропорциональных напряжениям, а горизонтальные площадки - неупругим деформациям, вызванным ползучестью бетона за время выдержки при постоянном напряжении. Таким образом, полная деформация бетона в любой момент времени представляет собой сумму упругих (проекции наклонных линий на ось абсцисс) и неупругих деформаций (горизонтальные участки диаграммы), т. е.

Упругие деформации соответствуют только мгновенной скорости загружения образца, а пластические дефомации развиваются во времени и зависят от скорости загружения образца. Чем больше скорость загружения образца, тем кривая деформаций больше стремится к упругой зависимости. После полной разгрузки в образце сохраняются остаточные (невосстанавливающиеся) деформации. Эта незначительная часть остаточных деформаций (10-15%) называется деформацией упругого последействия ( ).

Модуль упругости бетона при сжатии соответствует только упругим деформациям

Е_b =tg

Модуль полных деформаций бетона при сжатии соответствует полным деформациям (включая ползучесть) и является величиной переменной. Определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой в точке заданного напряжения.

Определение модуля деформаций затруднительно; поэтому для практических расчетов железобетонных конструкций используют введенный В. И. Мурашовым средний модуль упругопластичности бетона, представляющий собой тангенс угла наклона секущей к кривой полных деформаций при заданном напряжении:

. (17.2)

Модуль упругопластичности бетона может быть выражен через модуль упругости следующим образом: из выражений (17.1) и (17.2) , следовательно,

. (17.3)

Отношение упругих деформаций бетона к полным называют коэффициентом упругпластических деформаций бетона ,.

. (17.5)

Теоретически коэффициент упругопластичности бетона может изменяться в пределах от =0 (для идеально пластических материалов) до =l (для идеально упругих материалов). Однако, как показали опыты с бетонными призмами, при различных напряжениях и длительности действия нагрузки значения практически изменяются от 0,15 до 0.9. С увеличением напряжений и продолжительности действия нагрузки величина уменьшается.

При осевом растяжении, так же как и при сжатии, диаграмма напряжений-деформаций криволинейна. Начальные модули уп­ругости бетона при растяжении и сжатии отличаются незначитель­но и практически принимаются одинаковыми (рис. 17.1, a).

По аналогии вводятся понятия коэффициентов упругости и плас­тичности, а также модуля упругопластичности бетона при растя­жении:

(17.6)

Модуль упругости с увеличением марки бетона возрастает. Для обычного бетона марок 200-400 модули упругости колеблются в пределах от 24 000 до

33 000 МПа, т. е. в 6-8 раз ниже модуля упругости стали. Модуль сдвига бетона G равен примерно 0,4 Е_б . Коэффициент Пуассона для бетона, т. е. отношение поперечной де­формации к продольной, с увеличением напряжений возрастает; начальное его значение =0,2.

Деформативность бетона зависит, с одной стороны, от состава бетона, его прочности и плотности, упругопластических свойств со­ставляющих (заполнителей, цементного камня), с другой - от вида напряженного состояния, величины и длительности, действия на­грузки. Предельная сжимаемость бетона при сжатии призм изменяется в пределах от 0,0008 до 0,003; в среднем принимают = 0,002. В сжатой зоне изгибаемых железобетонных элементов предельная сжимаемость в среднем вдвое выше, чем в призмах. При растяжении бетона предельные деформации примерно в 10-20 раз ниже, чем при сжатии; в среднем 8% ==0,00015.

С увеличением прочности и плотности бетона, а также при ис­пользовании бетонов на пористых заполнителях предельные дефор­мации как при сжатии, так и при растяжении увеличиваются.

Деформации бетона при длительном действии нагрузок.

Если на бетон длительное время действует нагрузка, то в нем происходит увеличение неупругих деформаций. Наибольшая интенсивность развития неупругих деформаций происходит в первые 3-4 месяца и наблюдается еще в течение нескольких лет.

Ползучесть - способность бетона увеличивать неупругие деформации во времени при длительном действии постоянной нагрузки. Деформации ползучести при длительном выдерживании могут в 3-4 раза превышать упругие деформации. Ползучесть бетона учитывается при расчете и проектировании конструкций.

Различают два вида ползучести бетона:

- линейную;

- нелинейную.

При линейной ползучести зависимость между напряжениями и деформациями ползучести можно считать линейной. Такая зависимость наблюдается лишь при сравнительно невысоких напряжениях.

Если напряжения в бетоне превышают границу образования структурных микротрещин, происходит развитие деформаций нелинейной ползучести. Такие деформации растут быстрее напряжений.

Разделение на линейную и нелинейную ползучесть условно. Существенное влияние нелинейная ползучесть оказывает и соответственно учитывается при расчете предварительно напряженных изгибаемых и внецентренно сжатых элементов.

На величину и характер развития ползучести оказывают влияние те же факторы, что и на усадку бетона.

Усадка и ползучесть бетона увеличиваются при повышении содержания цемента и воды (цементного теста) в бетоне.

Усадка и ползучесть уменьшаются:

- при применении заполнителей с более высокими значениями модуля упругости;

- при увеличении влажности среды;

- при снижении температуры среды;

- при увеличении массивности конструкции (размеров поперечных сечений).

На ползучесть бетона оказывают также влияние:

- вид напряженного состояния;

- величина напряжения (с ростом напряжений ползучесть увеличивается);

- возраст бетона к моменту загружения (молодой бетон обладает большей ползучестью чем старый).

Для количественного выражения ползучести бетона пользуются так называемой характеристикой ползучести:

(17.7)

где - относительная деформация ползучести (или пластическая деформация) в момент времени t;

- относительная упругая (мгновенная) деформация в момент загружения (при t=0).

Существует так называемая мера ползучести бетона С_b, которая представляет собой деформацию ползучести при напряжении 1 МПа. Следовательно, напряжениz и деформации ползучести связаны между собой формулой:

(17.8)

Характеристика ползучести и мера ползучести С_b связаны между собой модулем упругости бетона, т. е.

(17.9)

Предельные значения характеристики ползучести (при ), как было отмечено, зависят от многих факторов и колеблются в пределах: 1-4 -для обычных тяжелых бетонов; 2-5 -для бето­нов на пористых заполнителях.

С явлением ползучести тесно связано понятие релаксации напряжений - уменьшения напряжений во времени при сохранении неизменной (например, с помощью введенных связей) суммарной начальной деформации. Условие релаксации

(17.10)

Если в элементе конструкции при длительном выдерживании под нагрузкой созданы препятствия для проявления свободных деформаций, т. е. соблюдается условие = const. то с увеличением деформаций ползучести непременно уменьшаются упругие де­формации . Снижение же величины упругой части общей неизмен­ной деформации вызывает релаксацию напряжений. Релаксация напряжений, так же как и ползучесть бетона, затухает во времени.

Деформации бетона при многократно повторяющихся нагрузках..

При небольших напряжениях многократно повторяющиеся циклы загрузки и разгружения бетона приводят к накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого количества циклов нагружения ползучесть достигает предельного значения и бетон начинает работать упруго.

При больших напряжениях деформации ползучести начинают сильно расти и происходти разрушение образца.

При вибрационных нагрузках с числом повторений 200-600 в минуту происходит ускоренное развитие ползучести бетона. Называется виброползучестью илидинамической ползучестью.