2. Усадка бетона и начальные напряжения

Бетон обладает свойством уменьшаться в объёме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объёме при твердении в воде или сильно влажной среде (набухание бетона).

Усадка бетона происходит в результате кристаллизации цементного кам­ня и интенсивного испарения воды с поверхностных слоев бетона. Она особенно интенсивно протекает в первые две недели тверде­ния бетона. Через год её можно считать практически закончившей­ся.

Как показывают опыты, величина усадки бетона зависит от це­лого ряда причин:

• количества и вида цемента (его минералогического состава) - чем больше расход цемента на единицу объёма бетона, тем (при прочих равных условиях) больше усадка; при этом бетоны, при­готовленные на высокоактивных и глинозёмистых цементах, да­ют большую усадку. Наименьшей усадкой обладают бетоны, при­готовленные на портландцементе;

• количества воды - чем больше W/C, тем больше усадка;

• крупности заполнителей и их вида - при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше. Чем выше способность запол­нителей сопротивляться деформированию, т. е. чем выше их мо­дуль упругости, тем усадка меньше. При разной крупности зёрен заполнителей и меньшем объёме пустот меньше и усадка;

• от влажности окружающей среды - чем ниже влажность, тем больше усадка;

• от наличия и состава различных гидравлических добавок и ускорителей твердения – они (на­пример, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку;

• влияние пропаривания бетона на процесс усадки изучено пока недостаточно; однако имеются данные о том, что после пропари­вания усадка уменьшается примерно в 1,5 раза;

• наличия заполнителей с глинистыми и пылевидными за­грязнениями – при их использовании усадочные деформации бетона могут увеличиться в несколько раз.

Средняя величина годичной усадки тяжёлого бетона средней прочности, приготовленного на портландцементе, при естественном твердении составляет e_sl = 3·10^-4 относительных единиц. Абсолют­ная величина деформации набухания примерно в 2...5 раз меньше усадки.

Деформацию усадки бетона можно представить как сумму де­формаций двух видов - собственно усадки и влажностной усадки.

Собственно усадка происходит в результате уменьшения истин­ного объёма системы «цемент – вода» при гидратации. Она может развиваться при полной изоляции бетона от внешней среды и все­гда ведёт к необратимому уменьшению первоначального объёма.

Влажностная усадка связана с уменьшением влагосодержания бетона, т. е. с испарением свободной воды в цементном камне и обу­словлена капиллярными явлениями (натяжением менисков в порах цементного камня); она частично обратима: при твердении на возду­хе происходит уменьшение объёма (усадка), а при достаточно боль­шом притоке влаги - увеличение объёма (набухание).

Деформации, происходящие вследствие влажностной усадки бе­тона, по величине в 10...20 раз превышают деформации собствен­но усадки. Поэтому изменение влагосодержания бетона - основная причина усадочных деформаций.

Усадка повышает сцепление арматуры с бетоном, вызывая её об­жатие, что является положительным фактором.

В реальных условиях усадка бетона происходит неравномерно: развитие усадки начинается с поверхности бетона и постепенно, по мере его высыхания, распространяется вглубь. Уменьшение объёма цементного камня встречает сопротивление со стороны инертных со­ставляющих бетона, которые стремятся сохранить свой объём посто­янным. Возникающие при этом внутренние усилия могут служить причиной микроразрушений на границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя и даже в самом цементно-песчаном камне. Образующиеся при этом микро- и макротрещины отрицательно вли­яют на физико-механические свойства бетона. Особенно существен­но сказывается влияние усадки на напряженно-деформированное состояние в массивных конструкциях (плотины и т. п. конструкции).

Уменьшения начальных усадочных напряжений в бетоне и тем самым предотвращения образования усадочных трещин можно до­биться технологическими мерами — правильным подбором состава бетона (за счёт уменьшения объёма пор), увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, увлажнением, особенно в первые дни, поверхности бетона при естественном твердении и др., а также конструктивными мерами - например, устройством уса­дочных швов в конструкциях большой протяженности, установкой противоусадочных сеток.

Бетоны, приготовленные на специальных цементах (расширяю­щемся или безусадочном) усадки не дают. Особо прочные бетоны - класса В100 и выше - также практически не дают усадки.