книги из ГПНТБ / Черкасов, Г. И. Введение в технологию бетона

Прочность при сжат ии,

Время тВердения В сутках

Рис. 43. График нарастания прочности бетона во времени.

Эта формула, предложенная Б. Г. Скрамтаевым, .пригодна для ориентировочных расчетов; точно учесть нарастание проч­ ности во времени можно только в результате эксперимента.

Зависимость между напряжениями и деформациями

Увеличение вязкости гелеобразной части цементного кам­ ня в бетоне и кристаллизация новообразований во времени характеризуются нарастанием его упругих и уменьшением вязко-пластичных свойств.

Бетон расчетного возраста R28 имеет еще значительные пластические свойства. Сочетание упругих и вязко-пластич­ ных свойств бетона феноменологически аппроксимируется моделью Шофилд—Скотт-Блера, согласно которой зависи­

122

мость между деформациями и напряжениями выражается уравнением, приведенным на стр. 106.

Как видно из уравнения, только при мгновенном загружении (t->0) бетон будет вести себя как истинно упругое тело с определенным модулем упругости. .Даже при кратковремен­ ном загружении имеют место эластические и пластические деформации, увеличивающиеся с увеличением нагрузки.

Изменение упругих и полных деформаций при кратковре­ менном нагружении образца ступенями показано на рис. 44.

<5

Рис. 44. Зависимость между напряжениями и деформациями при крат­ ковременном нагружении бетонных образцов ступенями.

123

Полную деформацию получают как сумму упругой я оста­ точной деформации, причем условно за остаточную ее часть принимают суммарную величину пластической деформации и упругого последствия (эластичности).

Практически в настоящее время для характеристики деформативности бетона используют несколько зависимостей между напряжениями и деформациями бетона при его кратко­ временном загружении.

Рассмотрим диаграммы изменения деформаций бетона з зависимости от действующего напряжения при кратковремен­ ном нагружении (рис. 45).

б

Рис. 45. Зависимость между напряжениями и деформациями.

Обозначим для точки К диаграммы: Об — напряжение; Еу —■упругая деформация;

еп — пластическая деформация; ев — полная деформация.

Модуль упругости бетона характеризуется тангенсом утла между касательной к кривой в нулевой точке и осью абсцисс

e6= tga0.

124

В нормах за характеристику упругости бетона принимает­ ся начальный модуль упругости, который представляет собой отношение величины напряжения к величине деформации, причем величина напряжений должна быть менее 20% приз­ менной прочности. Условно считается, что при таких напря-. жениях и кратковременной нагрузке пластические деформа­ ции в бетоне еще очень малы и между напряжением и дефор­ мацией существует линейная зависимость.

Начальный модуль упругости бетона увеличивается с уве­

ная, зависящая от напряжения, н может быть выражен тан­ генсом угла наклона касательной, проведенной в точке с рас­ сматриваемым напряжением,

Ег,деФ =^а.

В. В. Мурашев предложил пользоваться модулем упругопластичности бетона Еб', определяемым тангенсом угла на­ клона секущей, проведенной из начала координат к данной точке,

E6/==tgai.

Очевидно, что

Еб'-вб=Еб-еу:

отсюда

Еб' = Е6ч

Вводя понятие коэффициента пластичности бетона'/— — , £б

получим

Еб~(1—1')Е6.

X зависит от величины напряжений и длительности дейст­ вия нагрузки, изменяется от 0 до 0,8 и является важной рас­ четной характеристикой упруго-пластических свойств бетона.

Деформативные свойства бетонов зависят от соотношения количества щебня и раствора и их упругих свойств.

А. С. Дмитриевым предложена формула для расчета мо­ дуля упругости бетона:

р _______Ез-Ер______

Сб— Ез-Ур-Кр+'Ер.Уз-Кз ’

126

где Е3 и Ер —- модули упругости крупного заполнителя и раст­ вора;

V» и Vp — относительные объемы заполнителя и раствора в бетоне;

Кз и Кр — коэффициенты, характеризующие отличие сред­

Как следует из приведенной зависимости, введение в

раствор значительного количества высокопрочного щебня способствует повышению модуля упругости бетона.

Другие виды деформации бетона

Предельные деформации бетона, при которых начинается разрушение, зависят от его марки и длительности приложения нагрузки. Обычно предельная сжимаемость тяжелых бетонов колеблется в пределах от 0,8 до 3 мм/м, в среднем ее прини­ мают равной 2 мм/м. Предельная растяжимость бетона в 10— 20 раз меньше, в среднем ее значение равно 0,1 мм/м.

Коэффициент Пуассона, коэффициент поперечной дефор­ мации бетона v, при нагружении бетона до предела трещинообразования колеблется от 0,Д до 0,3; по нормам его принима­ ют 0,15.

Коэффициент линейного расширения бетона при охлаж­ дении и нагреве в среднем принимают равным 10-10~6 11градг что почти соответствует коэффициенту линейного расширения стали (р=12-10~6 Мград). Это обстоятельство чрезвычайно важно для совместной работы стальной арматуры и бетонно­ го камня в железобетоне.

Указанное положение нарушается при замораживании на­ сыщенного водой железобетона, в котором деформации арма­ туры и бетона не совпадают не только по величине, но и по знаку, что приводит к развитию значительных внутренних напряжений, могущих вызвать разрушение конструкций.

Усадка и набухание

При твердении бетонных изделий на воздухе они посте­ пенно уменьшаются в объеме — происходит усадка, при твер­ дении в воде несколько увеличиваются в объеме — происходит набухание.

В первые один-два дня твердения, когда цементный камень не обладает еще достаточной прочностью, усадка связана с

120

контракцией и усилением действия капиллярных сил вследст­ вие испарения воды; при этом бетон сравнительно легко не­ обратимо деформируется без развития существенных внут­ ренних напряжений. При дальнейшем твердении усадка про­ должается; она, как и раньше, связана с удалением воды из цементного камня; ее интенсивность зависит от относитель­ ной влажности воздуха и может быть качественно представ­ лена графиком (рис. 46).

Рис. 46. Принципиальная зависимость усадки бетона от влажности среды.

В настоящее время нет общепризнанной теории о причинах деформаций при высыхании или увлажнении цементного кам­ ня и бетона. Большинство ученых считают, что причиной

127

в-ития усадки соответствуют содержания воды в бетоне по объему от 12 до 30%, что наблюдается при относительной влажности воздуха 70—98%. При этом влага в бетоне испа-

О

ряется из капилляров и пор радиусом от 200 до 1000 А. Это именно те размеры пор, при которых .наиболее интенсивно действуют капиллярные силы. При уменьшении пор, запол­ ненных водой, до размеров, соизмеримых с размерами моле­ кул, капиллярные силы перестают действовать, прекращается и усадка (участок Г). Наконец, на участке Д при объемной влажности бетона 3—5% наблюдается .наибольшая усадка, к которой капиллярные силы непричастны if которая может быть объяснена только удалением межкристаллической ад­ сорбционной воды новообразований. Поскольку влажность бетона в 3—5% возможна только в особых условиях работы конструкций при относительной влажности воздуха менее 40%, то практически на усадочные явления в бетоне оказы­ вают влияние сжимающие усилия на стенки микрокапилляров, развивающиеся с .увеличением испарения капиллярной воды.

Усадка выражается тем сильнее, чем больше в бетоне це­ ментного камня, больше исходное В/Ц, а в цементном камне больше гелевой составляющей. Полное значение усадки для цементного камня составляет 9—15 мм3/м3, или при линейном выражении 3—5 мм/м.

Наличие в растворе и бетоне, помимо цементного камня, скелета заполнителей уменьшает усадку: так, для цементнопесчаных растворов ее .значения составляют 0,6— 1 мм/м, для бетонов 0,2—0,5 мм/м. Уменьшение усадки в бетоне, с одной стороны, улучшает условия работы конструкций, с другой, вызывает увеличение в них внутренних напряжений.

Неравномерность усадки внешних и внутренних слоев в массивных бетонных сооружениях вызывает появление уса­ дочных трещин. Для их предотвращения необходимо увлаж­ нять поверхности, конструкций до набора бетоном 40—60% марочной прочности.

Бетонные изделия, /подвергнутые тепловой обработке, име- 1бт пониженное значение усадки; особенно эффективна авто­ клавная обработка, понижающая усадку бетонных изделий в 2—3 раза. Указанные явления связаны с «огрублением» геля, т. е..увеличением размеров его частиц и кристаллической час­ ти цементного камня.

При длительном нахождении цементного камня в воде осмотическое давление в гелевых оболочках вызывает их на-

бухание, разрывы и в связи с этим усиление гидратации час­ тиц цемента, что вместе взятое и вызывает объемное увеличе­ ние цементного камня и бетона — их набухание. Деформации набухания положительно влияют на качество бетона, вызывая его самоуплотнение; внешне эти деформации проявляются в 5—10 раз слабее, чем деформации усадки.

Эластические деформации, ползучесть и релаксация напряжений в бетоне

Рассмотрим поведение бетона как упруго-вязко-пластично­ го тела во времени при постоянном напряжении и затем при постоянной деформации.

Для упрощения выводов будем рассматривать по отдель­ ности составляющие модель Шофилд—Скотт-Блера тела Кельвина и Максвелла (рис. 48).

Е

П

П

Р ис. 48. Реологические модели тел Кельвина и Максвелла

130