Деформативность бетона
Виды деформаций бетона:
- Объемные – во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности.
- Силовые – от действия внешних сил.
Бетону свойственно нелинейное деформирование, поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия делят на 3 вида: деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой, деформации при длительном действии нагрузки и деформации при многократно повторяющемся действии нагрузки.
Собственные деформации бетона
Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде – усадка бетона. Она связана с физико-механическими процессами твердения и уменьшением объема цементного геля, потерей избыточной воды в результате испарения и гидратации с непрореагировавшими частицами цемента.
Усадке бетона препятствуют заполнители, которые становятся внутренними связями, вызывающими в цементном камне начальные растягивающие напряжения.
Неравномерное высыхание бетона, снаружи больше, а внутри меньше, приводит к неравномерной усадке, что ведет к возникновению начальных усадочных напряжений. Открытые, быстро высыхающие слои бетона испытывают растяжение; внутренние более влажные оказываются сжатыми. В бетоне появляются усадочные трещины.
Уменьшить начальные усадочные напряжения можно:
- конструктивными мерами (армирование, устройство усадочных швов);
- технологическими мерами (подбор состава, увлажнение среды, увлажнение поверхности бетона).
Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой
Деформация бетона: (рис. 7),
где εе – упругая деформация, εpl – упругопластическая деформация.
Если образец загружать по этапам и замерять деформации дважды – сразу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой, получим ступенчатую линию (рис. 8). При достаточном числе загружений, ступенчатая линия зависимости σb – εb может быть заменена плавной кривой. Таком образом, упругие деформации бетона соответствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, а неупругие развиваются во времени.
Рис. 7. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне
при сжатии и растяжении:
I – область упругих деформаций; II – область пластических деформаций;
1 – загрузка; 2 – разгрузка; εbu – предельная сжимаемость;εbtu – предельная растяжимость;
εер – доля неупругих деформаций, восстанавливающихся после разгрузки.
С увеличением скорости загружения V при одном и том же напряжении σb неупругие деформации уменьшаются (рис. 9).
Рис. 8. Диаграмма σb – εb в сжатом бетоне при Рис. 9. Диаграмма σb – εb в сжатом бетоне при
различном числе этапов загружения. различной скорости загружения.
Деформации при длительном действии нагрузки
При длительном действии нагрузки обнаруживается постепенное снижение сопротивления бетона (ниспадающая ветвь диаграммы σb – εb). При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются.
Участок 0-1 (рис. 10) характеризует деформации, возникающие при загружении. Участок 1-2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений.
Свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях, называют ползучестью бетона
При длительном действии постоянной нагрузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения в бетоне остаются постоянными. Когда связи в бетоне (например, арматура) ограничивают свободное развитие ползучести, то напряжения в бетоне уменьшаются. То есть происходит перераспределение внутренних напряжений между бетоном и арматурой.
Свойство бетона, характеризующееся уменьшением с течением времени напряжений при постоянной начальной деформации , называют релаксацией напряжений.
|
Рис. 10. Диаграмма σb – εb в сжатом бетоне при различной длительности загружения. |
Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при твердении цементного камня. С течением времени процесс перераспределения напряжений с гелевой составляющей на кристаллический сросток и зерна заполнителей затухает и деформирование прекращается.
Величина деформаций ползучести в конечном итоге не зависит от скорости нагружения образца. Ползучесть бетона увеличивается с ростом напряжений. Загруженный в раннем возрасте бетон обладает большей ползучестью, чем старый. Ползучесть бетона в сухой среде больше, чем во влажной. С увеличением В/Ц и количества цемента на единицу объема бетонной смеси ползучесть возрастает. С повышением прочности зерен заполнителей, повышением прочности бетона, его класса ползучесть уменьшается.
Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки
Многократное повторение действия нагрузки приводит к накапливанию неупругих деформаций (рис. 11). После большого количества циклов эти деформации постепенно выбираются, ползучесть достигает предельного значения, бетон начинает работать упруго.
С каждым последующим циклом кривая зависимости σb – εb постепенно становится прямой, характеризующей упругую работу. Такой характер работы наблюдается при . При больших значениях неупругие деформации начинают неограниченно расти, при этом кривизна σb – εb меняет знак.
Рис. 11. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне
при многократном повторном загружении бетонного образца:
1 – первичная кривая; 2 – конечная кривая
Предельные деформации бетона перед разрушением
Это предельная сжимаемость и предельная растяжимость . Зависят от:
- прочности бетона;
- класса бетона;
- состава бетона;
- длительности приложения нагрузки.
При сжатии в среднем .
При растяжении в среднем .
При изгибе в крайнем сжатом волокне в среднем .
Деформативные свойства бетона.
Виды деформаций.
В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения темпера туры 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).
Рис. 1.6. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне при сжатии и при растяжении.
Ι— область упругих деформаций; ΙΙ — область пластических деформации; 1 — загрузка; 2 — разгрузка; εub — предельная сжимаемость;εubt —предельная растяжимость; εbmax -максимальная сжимаемость на нисходящей ветви диаграммы.
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.
Объемные деформации.
По данным опытов для тяжелых бетонов деформации, вызванные усадкой εsl=3· 10-4 и более, для бетонов на пористых заполнителях εsl ≈ 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 άbt. При изменении температуры среды от —50 °С до +50 °С для тяжелого, мелкозернистого бетонов и бетона на пористых заполнителях с кварцевым песком αbt = 1·10-5 оС-1; для легких бетонов на мелких пористых заполнителях αbt = =0,7·10 -5 °С -1. Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей влажностного состояния бетона и может изменяться в пределах ±30 %,
При однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой деформации бетона
εb = εe + εрl , (1.5)
т. е. она складывается из упругой деформации εe и неупругой пластической деформации εрl (рис. 1.6.). Небольшая доля неупругих деформаций в течение некоторого периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %).
Упругие деформации бетона соответствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, в то время как неупругие деформации развиваются во времени. С увеличением скорости загружения υ при одном и том же напряжении σb неупругие деформации уменьшаются .
При растяжении бетонного образца также возникает деформация, складывающаяся из упругой έet и пластической εPl,,t деформаций.
εbt=εet+εрl,t,
