5. Влияние времени и условий твердения на прочность. Прочность при длитель­ном действии нагрузок.

Влияние времени и условий твердения на прочность бетона. Прочность бетона нарастает в течение длитель­ного времени, но наиболее интенсивный ее рост наблю­дается в начальный период твердения. Так, прочность бе­тона, приготовленного на портландцементе, интенсивно нарастает первые 28 сут, на пуццолановом и шлаковом портландцементе — первые 90 сут. Но и в последующем при благоприятных условиях твердения — положитель­ной температуре, влажной среде — прочность бетона может нарастать еще весьма продолжительное время, из­меряемое годами (рис. 1.8).

Рис.1.8. Нарастание прочности бетона во времени.1-пpu хранении бетона во влажной среде; 2 — то же в сухой среде.

Объясняется это явление длительным процессом образования цементного камня. Если бетон остается сухим, как это часто бывает при экс­плуатации большинства железобетонных конструкций, то по истечении первого года дальнейшего увеличения проч­ности ожидать уже нельзя.

Нарастание прочности бетона на портландцементе при положительной температуре твердения (15 °С) и влаж­ной среде может быть выражено эмпирической зависи­мостью

где Rt — временное сопротивление сжатию бетонного куба в возра­сте t суток; R — то же, в возрасте 28 сут.

Эта формула дает результат достаточно близкий к экспериментальным данным при t≥7 сут.

Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью железобетонные изделия на заводах подвергают тепловой обработке при температуре до 90 °С и влажно­сти до 100 % или же специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре до 170 °С. Эти способы позволяют за сутки получить бетон, прочность которого составляет около 70 % проектной. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедля­ется или прекращается.

Прочность бетона при длительном действии нагрузки.

Согласно опытным данным при длительном действии на­грузки под влиянием развивающихся значительных не­упругих деформаций и структурных изменений бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем временное сопротивление осевому сжатию Rb. Предел длительного сопротивления бетона осевому сжатию по опытным дан­ным может составлять R_bl—0,9R_b и меньше. Если при эксплуатации конструкции в благоприятных для нара­стания прочности бетона условиях уровень напряжений σb/Rbl постепенно уменьшается, отрицательное влияние фактора длительного загружения может и не прояв­ляться.

6. Виды деформаций бетона. Объемные деформации. Деформации при однократ­ном загружении кратковременной нагрузкой.

Виды деформаций. В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности: силовые, развивающиеся главным об­разом вдоль направления действия сил. Силовым про­дольным деформациям соответствуют некоторые попе­речные деформации; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v = 0,2 (коэффициент Пуассона).

Бетону свойственно нелинейное деформирование. На­чиная с малых напряжений, в нем, помимо упругих де­формаций, развиваются неупругие остаточные или пла­стические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и дли­тельности ее действия подразделяют на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, длительном действии нагрузки; многократно повторяю­щемся действии нагрузки.

Рис. 1.10. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформа­циями и бетоне при сжатии и при растяжении.

I — область упругих деформаций; II — область пластических деформаций; 1 — загрузка; 2 — разгрузка; - предельная сжимаемость; ε_ub—предель­ная растяжимость; ε_bmax — максимальная сжимаемость на нисходящей еетви диаграммы.

Объемные деформации. По данным опытов для тя­желых бетонов деформации, вызванные усадкой ε_sl=3-10^-4 и более, для бетонов на пористых заполнителях ε_sl≈ 4,5-10^-4. Деформация бетона при набухании мень­ше, чем при усадке.

Деформации бетона, возникающие под влиянием из­менения температуры, характеризуются коэффициентом линейной температурной деформации бетона α_bt. При изменении температуры среды от —50 °С до +50 °С для тяжелого, мелкозернистого бетонов и бетона на пористых заполнителях с кварцевым песком α_bt α_bt =1•10^-5 °С^-1; для легких бетонов на мелких пористых заполнителях α_bt= 0,7-10^-5 °С^-1. Этот коэффициент зависит от вида це­мента, заполнителей влажностного состояния бетона и может изменяться в пределах ±30 %.

Деформации при однократном загружении кратковре­менной нагрузкой. При однократном загружении бетон­ной призмы кратковременно приложеной нагрузкой де­формации бетона

ε_b=ε_е+ε_pl (1.5)

т. е. она складывается из упругой деформации ε_e и не­упругой пластической деформации ε_pl (рис. 1.10). Не­большая доля неуиругих деформаций в течение некоторо­го периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %). Эта доля называется деформацией упруго­го последствия ε_ер. Если испытываемый образец загру­жать по этапам и замерять деформации на каждой сту­пени дважды (сразу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой), то по­лучим ступенчатую линию, изображенную на рис. 1.11, а. Деформации, измеренные после приложения нагрузки, — упругие и связаны с напряжениями линейным законом. Деформации, развивающиеся за время выдержки под на­грузкой, - неупругие; они увеличиваются с ростом на­пряжений и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформа­циями может быть изображена плавной кривой. Также и при разгрузке, если на каждой ступени замерять де­формации дважды (после снятия нагрузки и через неко­торое время после выдержки под нагрузкой), то можно получить ступенчатую линию, которую при достаточно большом числе ступеней разгрузки можно заменить плав­ной кривой, но только уже вогнутой (см. рис. 1.10).

Таким образом, упругие деформации бетона соответ­ствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, в то время как неупругие деформации развиваются во времени. С увеличением скорости загружения v при од­ном и том же напряжении b неупругие деформации уменьшаются (рис. 1.11,6).

При растяжении бетонного образца также возникает деформация

ε_bt=ε_еt+ε_pl,t

Рис. 1.11. Диаграмма в

сжатом бетоне при различ­ных—числе этапов загружения (а), скорости загружения (б), длительности загружения (в);

Vl>V₂>V₃

1 — упругие деформации; 2 — пол­ные деформации

7. Деформации при длительном действии нагрузки.

Деформации при длительном действии нагрузки.

При сжатии бетонной призмы в режиме пропорциональ­ного развития во времени продольных деформаций об­наруживается постепенное снижение сопротивления бето­на, так называемая ниспадающая ветвь диаграммы на­пряжения — деформации (см. рис. 1.10). Такой участок повышенного деформирования бетона реально наблюда­ется в конструкциях при определенных условиях нагру-жения, например, при сжатии бетона у внешней грани сжатой зоны изгибаемых элементов (см. гл. II). При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблю­дается первые 3...4 мес. и может продолжаться несколь­ко лет. На диаграмме (рис. 1.11, в) участок 0—1 харак­теризует деформации, возникающие при загружении (его кривизна зависит от скорости загружения); участок 1—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжении.

Свойства бетона, характеризующиеся нарастанием неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях. называют ползучестью бетона. Деформации ползучести могут в 3...4 раза превышать, упругие деформации. При длительном действии постоянной нагрузки если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения в бетоне стаются постоянными. Когда же связи в бетоне (например, стальная арматура) ограни­чивают свободное развитие ползучести (стесненная пол-

ползучесть), то напряжения в бетоне уменьшаются. Свойство бетона характеризующееся уменьшением с течени­ем времени напряжений при постоянной начальной деформации ε_b⁰, называют релаксацией напряжений. Ползучесть и релаксация имеют общую природу и оказывают существенное влияние на работу железобетонных КОНСТРУКЦИЙ под нагрузкой.

Природа ползучести бетона объясняется его структу­рой, длительным процессом кристаллизации и уменьше­нием количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряже­ний с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зерна за­полнителей. Одновременно развитию деформаций ползу­чести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс пере­распределения напряжений затухает и деформирование прекращается.

Ползучесть разделяют на линейную, при которой за­висимость между напряжениями и деформациями при­близительно линейная, и нелинейную, которая начинает­ся при напряжениях R_crc, превышающих границу образо­вания структурных микротрещин. Такое разделение ползучести условно, так как в некоторых опытах наблю­дается нелинейная зависимость σ_b и ε_b даже при относи­тельно малых напряжениях. Учет нелинейной ползучести имеет существенное значение в практических расчетах предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и некоторых других элементов.

Рис. 1.12. Деформации ползучести бетона в зависимости от скорости начального загружения (а) и времени выдержки под нагрузкой t и напряжением σ_b (б)

Опыты с бетонными призмами показывают, что неза­висимо от того, с какой скоростью загружения и было получено напряжение σ_b1 (рис. J 12,а), конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми. С ростом напряжений ползучесть бетона увеличивается; зависимость деформации — время при напряжениях σ_b1< σ_b2< σ_b3 показана на рис. 1.12,6. Загруженный в раннем возрасте бетон обладает боль­шей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона н сухой среде значительно больше, чем во влажной. Тех­нологические факторы также влияют на ползучесть бе­тона: с увеличением W/C и количества цемента на единицу объема бетонной смеси ползучесть возрастает; с по­вышением прочности зерен заполнителей, повышением прочности бетона, его класса она уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжелые бетоны.

Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет собой сумму деформаций: упругой ε_е, деформацией ползучести ε_Рl и усадки ε_sl. Однако в то время как усадка носит ха­рактер объемной деформации, ползучесть развивается главным образом в направлении действия усилия.