12. Методика определения модуля упругости, ползучести и усадки бетона.

Ползучесть бетона

 

Известно, что зависимость между напряжением и деформациями бетона является функцией времени: постепенное увеличение деформаций во времени обусловлено ползучестью. Ползучесть бетона, следовательно, может быть определена как увеличение деформации при постоянной нагрузке. Деформации ползучести могут в несколько раз превосходить деформации от нагрузки, поэтому изучение и учет ползучести имеет важное значение в строительной механике.

С другой стороны, если бетонный образец подвергается действию постоянной деформации, то ползучесть может быть определена как уменьшение напряжений во времени. Такая форма ползучести или релаксация напряжений показана на рис. 6. 21.

Для характеристики явления ползучести, исходя из различного понимания природы явления, употреблялось множество терминов, таких, как течение, пластическое течение, пластическая деформация и др. В настоящее время общепринятым термином для обозначения роста деформаций во времени под постоянной нагрузкой является «ползучесть».

При нормальных условиях загружения мгновенная деформация зависит от скорости нагрузки и может включать в себя кроме упругой также и часть деформации ползучести. Точное разделение мгновенной упругой деформации и начальной ползучести предствляет трудную задачу, однако для практических целей такое определение мгновенной деформации является достаточно корректным.

Поскольку модуль упругости увеличивается с возрастом бетона, упругая деформация постепенно уменьшается,  и,  строго  говоря,   ползучесть должна быть измерена как часть, превышающая упругую деформацию, в то время когда определяется ползучесть (рис. 6. 22). Однако при определении модуля упругости часто не учитывается возраст бетона и за деформацию ползучести принимают просто увеличение выше уровня начальной упругости деформации. Такое определение, хотя и является теоретически менее точным, не приводит к серьезным погрешностям и удобно для практических измерений.

Рис. 6.23. Ползучесть и упругое последействие образцов цементного раствора при испытаниях в условиях 95% относительной влажности воздуха под нагрузкой 150 кгс/см2 и затем разгруженных

Хотя большинство данных, приводимых ниже, относится к ползучести бетона при сжатии, бетон характеризуется деформацией ползучести и   при   действии   растягивающих напряжений.   Полагают,   что   величины ползучести при сжатии и растяжении    одного    порядка   и влияние на них различных факторов происходит по одному механизму.   Эти   положения справедливы и для ползучести бетона при   ^ кручении, хотя сведения о ползучести при этом виде напряженного состояния ограничены.

Если бетон подвергается высушиванию в период нагружения, то деформации ползучести и усадки накладываются и для вычисления деформаций ползучести

следует из общей деформации за время испытаний вычесть деформацию усадки, определенную в тех же условиях и за то же время на не-нагруженных образцах (рис. 6.22). Это вынужденное упрощение далее показало, что ползучесть и усадка — не независимые явления.

При мгновенном   снятии  нагрузки  деформации   бетона   мгновенно уменьшаются на величину, эквивалентную упругой деформации, характерной для бетона рассматриваемого возраста. Величина этой деформации обычно меньше деформации при загружении бетона. За этим упругим последействием следует постепенное уменьшение деформации, называемое восстанавливаемостью деформации ползучести (рис. 6.23). Форма кривой восстанавливаемости аналогична кривой ползучести, но достигает максимума быстрее. Ползучесть бетона характеризуется неполной обратимостью.

13. Методика определения степени гидратации цемента, структурных параметров (плотность, влажность, водопоглощение, показатели пористости) и водонепроницаемости бетона. 14. Процессы гидратации цемента. Общая, капиллярная и гелевая пористость цементного камня и бетона. 15. Формирование структуры цементного камня и бетона. Для обеспечения формирования структуры цементного камня с минимальной пористостью и повышенной прочностью необходимо обеспечить стабилизацию состава гидратных соединений, предотвращение их фазовых переходов, регулирование процесса гидратации, оптимальное соотношение кристаллической и гелеобраз-ной фаз в продуктах гидратации путем подбора состава и условий гидратации цемента. Упрочнение цементного камня в первый период твердения связано с появлением кристаллических гидратных новообразований, ростом их кристаллов, увеличением количества контактов срастания кристаллов друг с другом с образованием кристаллических агрегированных сростков, объединяющихся в дальнейшем в единый жесткий пространственный каркас. На этом этапе твердения кристаллические продукты гидратации оказывают положительное влияние на рост прочности. После образования пространственного каркаса дальнейший рост элементов, входящих в каркас, или образование новых контактов срастания между кристаллами вызывает появление внутренних напряжений, приводящих к появлению микро - и макротрещин, что снижает прочность структуры. На этом этапе твердения кристаллические фазы играют отрицательную роль, обусловливая протекание деструктивных процессов. Помимо этих факторов, деструктивные процессы связаны также с фазовыми превращениями гидратных соединений. [2]

С точки зрения формирования структуры цементного камня в бетоне наибольший интерес представляет водопоглощение заполнителя за время от момента затворения водой бетонной смеси до конца схватывания. [3]

Большое значение для процессов формирования структуры цементного камня и его свойств имеет влажность окружающей среды. Когда цементный камень образуется из водной суспензии цементного порошка, его поры заполнены водой. Для понимания процессов его формирования важно иметь в виду, что внешний объем цементного камня после перехода жидкой суспензии в твердое тело изменяется очень мало. По мере протекания химических процессов гидратации вещества исходного цемента расходуется вода, заполняющая поры, но ее место занимают новообразования. [4] 16. Структура бетона. Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании.

Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне.

Однако, на свойства бетона определяющие влияние оказывает его плотность, или пористость.

При прочих равных условиях объём и характер пористости, а так же соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технологические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях.

В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учётом её плотности:

Плотная;

С пористым заполнителем;

Ячеистая;

Зернистая.

Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающие» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга.

Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала, например, цементного камня в котором направлены зерна другого твердого материала (заполнителя) достаточно просто связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зёрен твердого материала.

Наибольшей R обладает материал с плотной структурой , наименьшей с зернистой. Большое влияние на свойства материала оказывает размер зёрен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макро и микро структуру. Под макро структурой понимают структуру, видимую глазом. В качестве структурных элементов здесь различают : крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры.

Микроструктурой называют структуру, видимую при небольшом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, который состоит из непрореагированных зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров.

Цементный камень определяет свойства и долговечность бетона. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция. Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью.

Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получить различные типы микроструктуры цементного камня : ячеистый, зернистый, волокнистый, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуры. 17. Методика испытания бетона на прочность при сжатии. 18. Прочность бетона. Влияние методических факторов на прочность бетона. 19. Влияние технологических факторов на прочность бетона. На результаты определения прочности бетона влияет много факторов образцы из одного и того же замеса, твердевшие в одинаковых условиях и испытанные на одном прессе, показывают различные значения прочности бетона. Если же имеются от клонения в методике испытаний, то различия в прочности могут бьпь весьма значительными. Следует помнить, что определяемый испытаниями показатель прочности бетона является характеристикой, которая зависит не толь, о от свойств материала, но в некоторой степени от методики испытании, Поэтому необходимо строго придерживаться соответствуюших рекомендаций по методикам испытания и добиваться максимальною единообразия в их проведении.

Для пояснения рассмотрим влияние различных факторов связанных с подготовкой и испытанием образцов на прочность бетона при сжатии. Условно эти факторы можно разделить на три группы статистические, технологические, методические.

Уже указывалось, что невозможно получить совершенно одинаковые по структуре образцы бетона Всегда будет наблюдаться пусть незначительное, но различие в распределении отдельных компонентов бетона, в возникающей системе дефектов (пор, микротрещин и . д), в колебания, свойств отдельных зерен составляющих (цемента и заполнителей) и новообразовании цементного камня. В результате появляется определенная неоднородность материала, которая сказывается на результата испытаний.

Факторы, связанные с приготовлением образцов и качеством, относятся  технологическим. На результаты испытаний будут влиять параллельность граней образца, их ровность и шероховатость, условия изготовления. Taк при изготовлении бетонных образцов из пластичных, смесей при больших расходах воды и в ряде других случаев под зернами заполнителя вследствие седиментации возникают ослабленные места, которые имеют горизонтальное направление При испытании в этом случае заметное влияние на результаты будет оказывать расположение образца между плитами пресса. Наименьшие результаты получаются при сжатии образцов, положенны на бок, т е когда ослабленные полости совпадают с направлением усилия сжатия. В этом случае наличие слабых мест заметно уменьшает сопротивление образца действию растягивающих усилий в горизонтальном направлении и способствует разрушению его.

Прочность образцов, испытанных в положении на боку, может быть на 10 ... 20% ниже, чем при испытании в том положении, в котором образец формовался. Поэтому при испытаниях обязательно следует учитывать указанные факторы и располагать образцы на прессе в одинаковом положении. Кубы обычно испытывают в положении на боку, чтобы иметь запас прочности.

К методическим факторам относятся различные аспекты методики испытания, каждый из которых оказывает определенное влияние на его результат. Конструкция и особенности пресса, размеры образца, условие взаимодействия образца и пресса, скорость нагруження, влажность бетона — все с»ти факторы могут оказать существенное влияние на окончательный результат — предел прочности бетона.

При испытании бетонного образца в прессе напряжения возникают не только в образце, но и в плитах пресса. Так как модуль упругости стали намного выше модуля упругости бетона, то даже при одинаковых напряжениях деформации, возникающие в плитах пресса, в том числе поперечные деформации ог действия растягивающих напряжений, оказываются меньше, чем деформации бетона. Между плитами пресса и образцом обычно действуют силы трения, в результате чего поверхность бетонного образца, прилегающая к плитам пресса, имеет одинаковые с последними деформации. Эти деформации значительно меньше деформаций в других сечениях. Образец же разрушается тогда, когда деформации достигают предельных значений, при которых возникают сплошные трещины Действие плит пресса, уменьшая деформации слоев бетона, прилегающих к ним, как бы оказывает на них поддерживающее влияние и предохраняет от разрушения. Это явление принято называть эффектом обоймы. Поэтому кубы бетона имеют обычно характерную форму разрушения, когда наибольшие деформации и разрушения наблюдаются в среднем сечении образца, а образец после испытания как бы представляет две сложенные вершинами усеченные пирамиды

Однако можно изменить условия взаимодействия пресса и образца и тем самым изменить напряженное состояние, возникающее в образце, и результаты испытания. Например, если с помощью какой-либо смазки ликвидировать силы трения между плитами пресса и образцом, то меняется характер разрушения, образец как бы раскалывается системой параллельных вертикальных трещин и вследствие отсутствия поддерживающего влияния эффекта обоймы прочность его снижается на 20 . 30%. Однако подобные испытания не применяют, так как устранить полностью трение трудно и обычно смазка лишь снижает коэффициент трения до некоторого значения, которое зависит от вида смазки, прочности и структуры бетона и ряда других факторов. Смазка вносит неопределенность в условия испытания, увеличивает разброс результатов, поэтому был принят другой путь определения действительной прочности бетона, исключающий поддерживающее влияние эффекта обоймы, i именно испытание призм, о чем более подробно говорится ниже

Еще в большей мере проявляется зависимость прочности бетона от его размеров при испытании призм Если изменять расстояние между плитами пресса в широких пределах, варьируя величину, то прочность может изменяться в несколько раз — в тонких образцах она будет в 2 . . 3 раза больше, чем прочность высоких призм. Прочность призм из тяжелого бетона на 20 ... 30 % меньше, чем прочность, получаемая при испытании кубов. Опыты показывают, что при Л/а>3 уже не наблюдается изменения прочности бетона при дальнейшем увеличении значений h/a, т. е. влияние эффекта обоймы и ряда других методических факторов практически не проявляется. Поэтому мри проектировании железобетонных конструкций используют нризменную прочность бетона как величину, в наибольшем степени характеризующую действительную прочность бетона в конструкции

Степень влияния эффекта обоймы будет зависеть также от вида и свойств бетона. В слабых и более деформативных бетонах влияние деформации плит пресса затухает быстрее и распространяется на меньший объем образца, вследствие чего влияние эффекта обоймы уменьшается Поэтому для легких бетонов низких марок можно с определенной степенью приближения принимать прочность бетона кубов разных размеров одинаковой. В значительной мере структура и прочность бетона влияют и на его нризменную прочность. Соотношение Rnv/R«yr> может изменяться для тяжелого бетона от 0,6 до 0,9, а для легкого бетона —от 0,65 до 1.

Определенную роль играет и организация технологического процесса. Как поьазывает статистическая теория прочности, чем лучше организован процесс и ниже коэффициент вариации прочности бетона, тем в меньшей мерс дол. ей проявляться масштабный эффект.

Заметное влияние на результаты испытаний могут оказать конструкция пресса и определяемые ею условия взаимодепствия пресса и образца. Обычно этому не придают существенного зна чения, хотя указанный фактор может сказаться на результатах испытаний, поэтому остановимся на нем более подробно.

Очень существенным является третье условие, которое рассматривает взаимозависимость деформаций плиты и бетонных кубов.

При испытании образцов из бетона прочностью 20 МПа эффект обоймы наблюдается уже у кубов с ребром 30 см (6=0,85) и значительно увеличивается у образцов меньших размеров. Таким образом, воздействие плит пресса на бетон с уменьшением его прочности возрастает, однако, как уже указывалось выше, вследствие повышения деформативности бетона оно воздействует на меньший объем бетона, что уменьшает влияние эффекта обоймы,

Рассмотренные выше положения показывают большое влияние методики испытаний на результаты определения прочности бетона. Поэтому для получения достоверных результатов следует организовывать и проводить испытания в точном соответствии с ГОСТами и рекомендациями других нормативных документов.

20. Методы неразрушающего контроля прочности бетона. Одной из основных характеристик бетона является его прочность. В соответствии с действующими нормативными документами контроль прочности бетона может производиться следующими методами.

1. Метод стандартных образцов. Образцы кубической или цилиндрической формы, изготовленные из бетонной смеси, испытывают через 28 суток после изготовления. Образцы устанавливают в пресс и нагружают его непрерывно и равномерно до разрушения образца. Разрушающая нагрузка фиксируется, и затем по ней рассчитывают прочность бетона.

2. Использование выбуренных из конструкции кернов, которые затем испытывают подобно стандартным образцам под прессом.

3. Методы неразрушающего контроля.

Используемые для методов неразрушающего контроля приборы в отечественной технической литературе условно называют «приборы неразрушающего контроля» (ПНК), чаще всего это приборы для толщинометрии и дефектоскопии покрытий и материалов, для определения твердости и прочности материалов, а также ряда других характеристик.

Параметрами, подвергаемыми неразрушающему контролю в бетонах, являются прочность, величина защитного слоя, влажность, морозоустойчивость, влагонепроницаемость. В производстве железобетонных изделий также контролируют натяжение арматуры и величину вибрации при уплотнении бетонной смеси. Но основным контролируемым параметром для бетонов является прочность на сжатие.

При использовании методов неразрушающего контроля для определения прочности бетонов руководствуются следующими стандартами:

ГОСТ 18105-86 «Бетоны. Правила контроля прочности»,

ГОСТ 22690-88 «Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля»,

СТО 3655 4501 009 (2007г.) «Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности».

Все методы неразрушающего контроля прочности бетона требуют построения индивидуальных градуировочных (тарировочных) зависимостей по результатам испытаний стандартных образцов-кубов, изготовленных из бетона такого же состава и возраста, что и испытываемый образец. То есть, непосредственно измеряемой величиной в методах неразрушающего контроля является какой-либо физический показатель, связанный с прочностью корреляционной зависимостью. И для установления этой корреляционной зависимости, а, значит, и для определения прочности бетона, предварительно устанавливают градуировочную зависимость между прочностью бетона и косвенной характеристикой.

На точность измерения прочности при измерении неразрушающими методами могут оказывать влияние такие факторы как: тип цемента, состав цемента, тип заполнителя, условия твердения, возраст бетона, влажность и температура поверхности, тип поверхности, карбонизация поверхностного слоя бетона и еще ряд других факторов.

При проведении контроля прочности бетона с помощью неразрушающих методов необходимо учитывать то обстоятельство, что все эти методы являются косвенными.

Выделить какой-то один метод или сказать, что он лучше другого, нельзя. Все они обладают своими достоинствами, недостатками и ограничениями в применении.

1) Методы местных разрушений

Это самые точные из методов неразрушающего контроля прочности, поскольку для них допускается использовать универсальную градуировочную зависимость, в которой изменяются всего два параметра:

1) крупность заполнителя, которую принимают равной 1,0 при крупности менее 50 мм и 1,1 при крупности более 50 мм;

2) тип бетона - тяжелый либо легкий.

Метод отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции заключаются в регистрации усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции, либо местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства.

Метод отрыва со скалыванием является единственным неразрушающим методом контроля прочности, для которого в стандартах прописаны градуировочные зависимости. Метод отрыва со скалыванием характеризуется наибольшей точностью, но и наибольшей трудоемкостью испытаний, обусловленной необходимостью подготовки шпуров для установки анкера. К недостаткам метода следует отнести также невозможность использования в густоармированных и тонкостенных конструкциях.

Метод отрыва стальных дисков может быть использован при испытании бетона в густо-армированных конструкциях, когда метод отрыва со скалыванием, а нередко и метод скалывания ребра конструкции (с учетом его ограничений) не могут быть использованы. Он точен и менее трудоемок по сравнению с методом отрыва со скалыванием. К недостаткам метода следует отнести необходимость наклеивания дисков за 3-24 часа до момента испытания ( в зависимости от применяемого клея).

Метод скалывания ребра конструкции используется главным образом для контроля линейных элементов (сваи, колонны, ригели, балки, перемычки и т.п.). В отличие от методов отрыва и отрыва со скалыванием, он не требует подготовительных работ. Однако при защитном слое менее 20мм и повреждениях защитного слоя метод неприменим.

Метод отрыва стальных дисков заключается в регистрации напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве от него металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска. В настоящее время метод используется крайне редко. Недостатки методов местных разрушений: повышенная трудоемкость; необходимость определения оси арматуры и глубины ее залегания; невозможность использования в густоармированных участках; частично повреждает поверхность конструкции.