Характеристика деформативных свойств тяжелого бетона сжатой зоны
Обновлено: 05.05.2024
Деформативные свойства шлакощелочного бетона
В процессе твердения, эксплуатации и испытания искусственного камня возникают объемные изменения, приводящие к деформациям, зависящим от структуры бетона, свойств его составляющих, особенностей технологии и других факторов.
Условно деформации бетона разделяют на объемные или собственные, обусловленные усадкой бетона и изменением температуры среды, и силовые, возникающие под действием приложенных нагрузок.
Собственные деформации бетона. Деформации усадки бетона как на портландцементном, так и шлакощелочном вяжущем определяются контракцией системы «затворитель — вяжущее», испарением влаги из капиллярно-пористой структуры бетона и карбонизацией цементного камня в среде, содержащей CO2. Чем больше в единице цементного камня содержится геля гидросиликатов кальция, тем больше в нем адсорбционно-связанной испаряемой воды и тем выше при прочих равных условиях усадочные деформации в процессе его высыхания. Другой фактор, потенциально определяющий возможные усадочные деформации, — удельная поверхность гидросиликатов кальция.
Наибольшее влияние на развитие усадки по данным оказывают испарение воды из капилляров радиусом менее 10в-7 м, удаление адсорбционно-связанной воды из геля и его кристаллизация.
Набухание же камня — следствие обратимого поглощения воды капиллярами. Деформация усадки — набухания и связанная с ней усадочная трещиностойкость бетона помимо вида вяжущего определяется природой и зерновым составом заполнителей, условиями твердения, а также факторами, комплексное действие которых влияет на качество формируемой структуры искусственного камня. При одинаковой капиллярной пористости шлакощелочного и портландцементного вяжущего, в последнем в 3 раза больше микрокапилляров размером 10в-7 м и в 4,4 раза меньше капилляров размером (3/8)*10в-9 м. Данное обстоятельство, обусловленное особенностями структуры шлакощелочного камня, предопределяет его высокие физико-механические свойства и характер развития деформаций усадки.
При введении в вяжущее крупного и мелкого заполнителя, так же как и в обычном бетоне, наблюдается снижение деформаций усадки. Однако, чем выше упругие характеристики заполнителя, тем выше внутренние напряжения, развивающиеся в оболочке шлакощелочного камня, обволакивающей зерно заполнителя. Чем выше неупругие характеристики цементного камня, тем быстрее уменьшаются внутренние напряжения, а при значительных деформациях ползучести они могут полностью релаксироваться.
Выявленные особенности поровой структуры шлакощелочного камня накладывают отпечаток на особенности развития деформаций усадки шлакощелочного бетона.
Известно, что для портландцементного тяжелого бетона характерна большая общая пористость, достигающая 27%, однако относительные деформации усадки находятся в пределах (10/40)*10в-5. График нарастания деформаций усадки при свободном влагообмене с окружающей средой имеет традиционный вид экспоненциальной зависимости.
Деформации усадки шлакощелочного бетона на крупном заполнителе определяются вещественным составом бетонной смеси, видом шлака, природой щелочного компонента, условиями твердения (табл. 3.12, рис. 3.17).
Согласно многочисленным исследованиям бетон нормального твердения обладает несколько большей усадкой, чем бетон после тепловлажностной обработки, причем усадка шлакощелочного бетона развивается медленнее усадки бетона на портландцементе.
Предварительная выдержка бетона в течение 1—2 сут и дальнейшая тепловлажностная обработка по оптимальным режимам способствуют снижению деформаций усадки до 50 %, так как влажностное состояние бетона на шлакощелочном вяжущем изменяется значительно медленнее, чем на портландцементе, что объясняется большей плотностью шлакощелочного цементного камня по сравнению с портландцементным, а также образованием плотной оболочки вокруг относительно пористого заполнителя. Оболочка почти полностью исключает возможность миграции воды в заполнитель. Следовательно, последний не принимает активного участия в процессах влагообмена независимо от его гранулометрического состава.
Так, если для шлакощелочного камня на основном шлаке характерное возрастание усадочных деформаций практически пропорционально десятичному логарифму времени нахождения в воздушносухих условиях вплоть до 90 сут, после которых темп развития деформаций усадки замедляется и в возрасте 360 сут наблюдается стабилизация деформаций, то для образцов камня, изготовленного на кислом шлаке, наиболее интенсивное проявление усадочных деформаций отмечается в первые 28 сут нахождения в аналогичных условиях, к 90 сут процесс практически затухает.
Одно из условий снижения деформативности шлакощелочного камня — синтез в его составе гидратных алюмосиликатных соединений, что достигается за счет введения в состав щелочных вяжущих глинистых компонентов, активно взаимодействующих с соединениями щелочных металлов с образованием нефелин-гидрата Na2O*Al2O3*2SiO2*H2O, натролита Na2O*Al2O3*3SiО2*H2O, анальцима Na2O*Al2O3*4SiО2*H2O.
Так, снижение деформаций усадки шлакощелочного камня при введении оптимального количества глинистого компонента (рис. 3.20, 3.21) обусловлено увеличением жесткости кристаллического сростка новообразований за счет самоармирования его щелочными гидроалюмосиликатами.
Трещиностойкость оценивали по образцам, хранившимся в различных условиях (табл. 3.13). После 50 циклов увлажнения — высушивания трещины появились только на образцах портландцементного бетона, а после 100 циклов отмечено заметное снижение коэффициента трещиностойкости для бетонов всех составов.
Важной характеристикой бетона является коэффициент линейного расширения. На совместимость работы бетона и арматуры, на температурные деформации и напряжения непосредственно влияет коэффициент температурного линейного расширения, средние значения которого для шлакощелочного бетона при повышении температуры в интервале T = 273/473 К изменяются в пределах (9/13)*10в-6.
Деформации бетона при кратковременном и длительном действии нагрузки. В процессе однократного загружения образца кратковременной сжимающей нагрузкой в шлакощелочном бетоне, как в любом упругопластичном материале, наблюдается нелинейная зависимость между напряжениями и деформациями (рис. 3.25).
При малых кратковременных напряжениях полная деформация состоит из двух слагаемых:
причем он соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении образца.
Модуль упругости в значительной степени определяется структурой бетона, степенью ее стабилизации и условиями твердения образцов.
Взаимосвязь прочностных и деформативных характеристик высокопрочного шлакощелочного бетона на основе натриевых растворимых стекол изучена И.В. Белицким. Результаты (табл. 3.14) свидетельствуют о стабильном росте во времени призменной прочности и начального модуля упругости независимо от условий твердения и жесткости бетонной смеси. Наблюдаемый временный сброс кубиковой прочности пропаренного шлакощелочного, как и портландцементного бетонов, связан с процессами перекристаллизации вследствие растворения термодинамически неустойчивых кристаллизационных контактов и образования более крупных кристаллов того же состава, что и первоначально формирующиеся продукты гидратации.
В отличие от портландцементного бетона, для которого характерно устойчивое чередование роста и спада прочности (компенсируемое, как правило, введением демпфирующих компонентов), шлакощелочной бетон отличается менее продолжительным спадом прочности, который к тому же носит временный характер.
Отсутствие спадов призменной прочности при временном падении кубиковой, очевидно, обусловлено преобладанием в шлакощелочных вяжущих гелевидной фазы и объясняется особенностями напряженного состояния в теле призмы. При кратковременном нагружении деформации в значительной степени определяются условиями твердения бетона. Так, в первые сутки после тепловлажностной обработки начальный модуль упругости шлакощелочного бетона, как и портландцементного, ниже, чем бетона естественного твердения (см. табл. 3.14). При дальнейшем твердении бетона в нормальных условиях модуль упругости резко возрастает и на 28 сут достигает 34,7*10в3 МПа. В более поздние сроки начальный модуль упругости продолжает увеличиваться и к 360 сут составляет 41,0*10в3 МПа. Наибольший прирост начального модуля упругости пропаренного бетона наблюдается в период протекания интенсивных процессов кристаллизации.
При твердении образцов (после тепловлажностной обработки) в воздушно-сухих условиях начальный модуль упругости бетона независимо от основности используемых шлаков снижается, однако кубиковая прочность при этом возрастает.
Устранение негативного влияния воздушно-сухих условий на характеристики пропаренного бетона возможно за счет снижения расхода щелочного компонента. Так, бетон оптимального состава (расход натриевого растворимого стекла 135 л/м3, жесткость бетонной смеси 27 с) характеризуется начальным модулем упругости 31,5*10в3 МПа, который при дальнейшем твердении не снижается.
Установленные закономерности оптимизации состава и свойств высокопрочного бетона распространяются и на бетон более низких классов.
Прочностные и деформативные характеристики бетона на карбонатном щелочном компоненте исследованы С.А. Ткаленко. После тепловлажностной обработки и твердения в нормальных условиях наблюдается интенсивный рост кубиковой и призменной прочности в первые 90 сут, что составляет соответственно 106 и 113% значений, полученных при испытаниях в возрасте 28 сут (табл. 3.15). Этот процесс несколько замедляется к 180 сут, а затем отмечается медленный, но постоянный рост прочности во времени. Кривые изменения кубиковой и призменной прочности по своему характеру близки между собой и свидетельствуют о постоянном упрочнении шлакощелочного бетона.
Образцы бетона нормального твердения характеризуются интенсивным ростом модуля упругости в первые 28 сут, после 90 сут — модуль упругости стабилизируется и в дальнейшем изменяется незначительно. Пропаривание при пониженной температуре чзотермии (338 ± 5) К и последующее хранение в нормальных условиях позволяет получить искусственный камень, модуль упругости которого в возрасте 28 сут сопоставим со значением модуля упругости бетона при твердении в естественных условиях, причем, сравнивая модули упругости портландцементного и шлакощелочного бетоов одного класса (например, В 35), отметим более низкую деформативность последнего.
При хранении образцов шлакощелочного бетона в воздушно-сухих условиях наблюдается увеличение прочности, оптимум которой достигается на 90 сут твердения, однако на 180 сут отмечается снижение призменной прочности вследствие протекающих процессов перекристаллизации гидратных новообразований, приводящих к изменению упругопластического состояния искусственного камня. В процессе дальнейшего формирования структуры бетона за счет относительно равномерного распределения внутренних напряжений наблюдается соответствующий рост призменной прочности на 270 сут. В противоположность изложенному, кубиковая прочность отличается постоянным ростом в исследуемом интервале времени. Различный рост кубиковой и призменной прочности (при хранении образцов в воздушно-сухих условиях) объясняется неоднородностью структуры, прячем призменная прочность шлакощелочного бетона в большей степени, чем кубиковая, связана со структурой материала и отражает особенности ее формирования во времени.
При длительном действии нагрузки шлакощелочной бетон характеризуется ползучестью, зависящей, главным образом, от состава, вида шлака и щелочного компонента, условий твердения и пр. Установлено, что шлакощелочной бетон на соде из нефелинового сырья, едком натре и метасиликате натрия имеет минимальную ползучесть, а кальцинированная сода повышает этот показатель (рис. 3.26). При нормальном твердении в течение длительного времени ползучесть бетона возрастает. Полные предельные деформации неизолированных образцов бетона превышают соответствующие деформации изолированного бетона в 1,5 раза.
Ползучесть шлакощелочного бетона развивается неравномерно в течение времени, а скорость деформаций монотонно убывает (рис. 3.27).
Для мелкозернистого шлакощелочного бетона деформативность увеличивается при кратковременной нагрузке, а деформации ползучести во времени развиваются медленнее, чем для шлакощелочного бетона на крупном заполнителе, что обусловлено отсутствием крупного заполнителя и большим объемом гидратных новообразований.
Относительно высокая ползучесть шлакощелочного бетона, очевидно, связана с большим количеством гелевидной фазы в продуктах гидратации. Повышение степени закристаллизованности новообразований за счет модифицирования состава вяжущего снижает деформативность шлакощелочного камня при длительном приложении нагрузки. Мера ползучести шлакощелочного бетона оптимального состава находится в пределах, соответствующих нормативным значениям ползучести тяжелого бетона на портландцементе (табл. 3.17); его деформативные характеристики близки к значениям, характерным для портландцементного бетона и регулируются известными технологическими приемами. Данное обстоятельство позволяет рекомендовать шлакощелочной бетон к использованию в строительстве наряду с портландцементный для изготовления конструкций различного назначения.
Характеристика деформативных свойств тяжелого бетона сжатой зоны
Под прочностью твердого тела понимают его способность сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность бетона зависит от многочисленных факторов: структуры, марки и вида цемента, водоцементного отношения, вида и прочности крупных и мелких заполнителей, условий твердения, вида напряженного состояния, формы и размера образцов, длительности загружения. Определяющее влияние на прочность бетона оказывает взаимодействие твердой кристаллической части цементного камня с его пластичной гелевой частью. Во времени гелевая составляющая уменьшается, а кристаллическая — увеличивается. Соотношение во времени между двумя составляющими цементного камня в основном зависит от марки цемента и тонкости помола. Чем тоньше помол цемента, тем быстрее рост твердой кристаллической части.
В нашей стране в основном производится алитовый портландцемент. После твердения он обладает наибольшим отношением твердой кристаллической к пластичной гелевой составляющей цементного камня. Вследствие этого алитовый портландцемент оказывается наиболее прочным. При одноосном сжатии растягивающие напряжения в сплошной среде отсутствуют, хотя вокруг пор и пустот по продольным площадкам возникают растягивающие структурные напряжения, уравновешиваемые сжимающими напряжениями. Поэтому местные структурные напряжения в явном виде не учитывают, полагая, что влияние их сказывается при определении нормативных прочностных и деформативпых характеристик бетона.
Вследствие частого и хаотического расположения пустот происходит взаимное наложение растягивающих напряжений (появляется вторичное поле напряжений). Концентрация местных растягивающих напряжений приводит к появлению и развитию микротрещин в бетоне еще задолго до его разрушения. В случае одноосного сжатия небольшое количество микротрещин возникает уже при напряжениях (временное сопротивление сжатию призмы). Отсутствие закономерности в расположении заполнителей в затвердевшем бетоне, а также в размерах и расположении пор приводит к существенному разбросу показателей прочности эталонных образцов, изготовленных из одного бетона. Поэтому данные о фактической прочности и деформативности бетона основывают на большом числе экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях.
Кубиковая прочность.
В железобетонных конструкциях бетон преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную характеристику (эталон) прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Все другие прочностные характеристики (на растяжение, местное сжатие и др.) и модуль деформаций зависят от прочности бетона на осевое сжатие и определяются по эмпирическим формулам с помощью экспериментальных коэффициентов.
В общем случае прочность бетона при осевом сжатии имеет три характерные границы. Первой границей является величина прочности бетона на многократно повторную нагрузку (предел выносливости бетона), второй — предел длительного сопротивления бетона, и третий — кратковременное сопротивление бетона или призменная прочность бетона.
Прочность на смятие (местное сжатие).
Опыты показывают, что при действии сжимающей силы напряжения в толщу бетона распространяются под углом 45 градусов. При этом бетон под площадкой смятия может выдерживать напряжения, значительно превышающие призменную прочность бетона. Повышение прочности бетона на нагруженной части объясняется удерживающим влиянием бетона ненагруженной части (бетонной обоймой) и в железобетонных конструкциях многоэтажных зданий встречается часто: под опорами балок, в стыках сборных колонн, под анкерами предварительно напряженных конструкций.
Прочность на осевое растяжение.
Из-за трудностей центровки растягивающей силы истинное временное сопротивление бетона на осевое растяжение получить трудно, поэтому на практике определяют его косвенными методами — по результатам испытания цилиндрических образцов на раскалывание или изгиба опытных балочек. Прочность бетона на осевое растяжение зависит от прочности на растяжение цементного камня и его сцепления с зернами крупного заполнителя, от увлажнения. Причинами низкой прочности при осевом растяжении является неоднородность структуры бетона, наличие внутренних напряжений, слабое или нарушенное сцепление между цементным камнем и заполнителями.
Прочность при срезе и скалывании.
Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы, т. е. такое напряженное состояние, при котором главные напряжения равны 0. Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий. Железобетонные конструкции редко работают на срез и скалывание. Обычно срез сопровождается действием продольных сил, а скалывание — действием поперечных сил. Сопротивление срезу может возникать в шпоночных соединениях и у опор балок, а сопротивление скалыванию — при изгибе преднапряженных балок до появления в них наклонных трещин, если не обеспечена надежная связь между верхней и нижней частями бетона на опорах.
Прочность при длительном действии нагрузки.
Пределом длительного сопротивления бетона называют наибольшие статические неизменные во времени напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долгое время без разрушения. При длительном действии нагрузки бетонный образец разрушается при напряжениях меньших, чем при кратковременной нагрузке. Это обусловливается влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и изменением структуры бетона и зависит от режима нагружения, начальной прочности и возраста образцов.
Прочность при многократном действии нагрузки.
Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 1000000. Установлено, что предел выносливости бетона уменьшается с уменьшением коэффициента асимметрии цикла. Предел выносливости связан с нижней границей образования микротрещин. Если многократно повторная тающего упруго в течение короткого промежутка нагружения динамической нагрузкой.
Динамическое упрочнение.
При кратковременной (ударная, импульсная) динамической нагрузке большой интенсивности получают увеличение временного сопротивления бетона — динамическое упрочнение. Оно тем больше, чем меньше время нагружения образца. Динамическое временное сопротивление
Бетоны высоких классов не дают заметного прироста прочности во времени. Твердение бетона значительно ускоряется с повышением температуры и влажности среды. Поэтому на предприятиях сборного железобетона изделия подвергают тепловлажностной обработке (температура до 90 С и влажность до 100%) или специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре порядка 170 °С. Эти способы позволяют за сутки получить прочность бетона, равную 70% от проектной прочности.
Противоморозные добавки (хлористые соли, углекислый калий, азотистокислый натрий) обеспечивают твердение бетона при температурах до — 10 С. Добавку принимают не более 15% от массы цемента. Лишнее количество добавки вредно действует на бетон и вызывает коррозию арматуры.
1.2. Деформативность бетона
Виды деформаций. В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности, и силовые, развивающиеся главным образом вдоль направления действия сил. Силовым продольным деформациям соответствуют некоторые поперечные деформации, начальный коэффициент поперечной деформации бетонаν=0,2 (коэффициент Пуассона); Бетон представляет собой упругопластический материал. Начиная с малых напряжений, в нем помимо упругих восстанавливающихся 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, при длительном действии нагрузки и при много кратно повторном действии нагрузки.
Объемные деформации.Деформации, вызванные усадкой бетона, изменяются в довольно широком диапазоне: по данным опытов, для тяжелых бетонов εsl≈ 3-10 -4 и более, а для бетонов на пористых заполнителях εsl≈ 4,5*10 -4 . Деформация бетона при набухании в 2—5 раз меньше, чем при усадке.
Деформации бетона, возникающие под влиянием изменения температуры, зависят от коэффициента линейной температурной деформации бетона. При изменений температуры среды от -50 до -50 0 С для тяжелого бетона и бетона на пористых: заполнителях с кварцевым песком αbt=1*10 -5 °С -1 . Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей,, влажностного состояния бетона и может изменяться в пределах ±30 %. Так, αbt=0,7*10 -5 °С
1 для бетонов на пористых заполнителях с пористым песком.
Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой. При однократном загружении бетонной призмы, кратковременно приложенной нагрузкой деформация бетонаεb = εe+εpl (I.1)
т. е. она образуется из εе— упругой и εpt— неупругой пластической деформаций
(рис, 1.5). Небольшая доля неупругих деформаций в течение некоторого периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %). Эта доля называется деформацией упругого последействия εер. 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 на диаграмме σb-εbполучим ступенчатую линию.
Рис. 5. Общая диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне
С увеличением скорости загружения при одном и том же напряжении σb неупругие деформации уменьшаются. Для различных скоростей загружения σb>σ2> >Vs кривые зависимости σb—εb изображены на рис. 1.10,6. При растяжении бетонного образца также возникает деформация εbt=εet+εpl,t (I.6) состоящая из εet - упругой и εpl,t - пластической частей.
Деформации при длительном действии нагрузки.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 σb—εb участок 0—1 характеризует деформации, возникающие при загружении, кривизна этого участка зависит от скорости загружения; участок /—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений.
Свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций при длительном действии нагрузки, называют ползучестью бетона. Деформации ползучести могут в 3-4 раза превышать упругие деформации. При длительном действии постоянной нагрузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения бетоне остаются постоянными. Если же связи в бетоне (например, стальная арматура) стесняют свободное развитие ползучести, то ползучесть будет стесненной, при которой напряжения в бетоне уже не будут оставаться постоянными.
Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет - собой сумму деформаций: упругой εе, ползучести εpl и усадки εsl. Однако в то время как усадка носит характер объемной деформации, ползучесть развивается главным образом в направлении действия усилия.
Рис. 6 Диаграмма σb—εb при многократном повторном загружении образца
Деформации бетона при многократно повторном действии нагрузки.Многократное повторение циклов загружения и разгрузки бетонной призмы приводит к постепенному накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого числа циклов эти неупругие деформации, соответствующие данному уровню напряжений, постепенно выбираются, ползучесть достигает своего предельного значения, бетон начинает работать упруго. На рис. 1.6 показано, как с каждым последующим циклом неупругие деформации накапливаются, а кривая σb-εb постепенно выпрямляясь, становится прямой, характеризующей упругую работу. Такой характер деформирования наблюдается лишь при напряжениях, не превышающих предел выносливости σb≤Rr.
При больших напряжениях после некоторого числа циклов неупругие деформации начинают неограниченно расти, что приводит к разрушению образца, при этом кривизна линии σb-εb меняет знак, а угол наклона к оси абсцисс последовательно уменьшается.
Предельные деформациибетона перед разрушением - предельная сжимаемость εubи предельная растяжимость εubt— зависят от прочности бетона, его класса, состава, длительности приложения нагрузки. В опытах при осевом сжатии призм наблюдается предельная сжимаемость бетона εub= (0,8. 3) 10 -3 , в среднем ее принимают равной: εubt= 2*10 -3 . Сжимаемость бетона значительно возрастает, если при его загружении происходит пропорциональное возрастание деформаций; в этом случае на диаграмме напряжения - деформации появляется нисходящий участок. Учет работы бетона на нисходящем участке диаграммы имеет существенно важное значение для расчета ряда конструкций.
Предельная растяжимость бетона в 10—20 раз меньше предельной сжимаемости, в среднем ее принимают равной: εubt=1,5-10 -4 ; бетоны на пористых заполнителях имеют несколько большую предельную растяжимость. Предельная растяжимость бетона существенно влияет на сопротивление образованию трещин в растянутых зонах железобетонных конструкций.
Назначение и виды арматуры
Арматура в железобетонных конструкциях устанавливается для восприятия растягивающих усилий и усиления бетона сжатых зон конструкций. Необходимое количество арматуры определяют расчетом элементов конструкций на нагрузки и воздействия.
Арматура, устанавливаемая по расчету, носит название рабочей арматуры; устанавливаемая по конструктивным, технологическим соображениям, по условиям монтажа, носит название конструктивной арматуры. Конструктивная арматура обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, конструктивная арматура может воспринимать обычно не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, изменения температуры конструкции и т. п.
Рис. 7. Железобетонные элементы и их арматура
а —сетка; б —плоские каркасы; в — пространственный каркас; 1 —плита; 2 — балка; 3 —колонна
Деформативные свойства бетона
Во время набора прочности и эксплуатации в бетоне протекают объемные изменения, связанные с деформацией материала. Количественное выражение деформации зависит непосредственно от структуры материала и свойств заполнителей, входящих в его состав. Существует множество других факторов, но они оказывают меньшее влияние.
Деформативные свойства играют большую роль в прочностных показателях конечного железобетонного изделия или монолитной конструкции в целом. Именно поэтому их всегда учитывают при разработке проектной документации на стадии принятия конструктивных решений.
Условно деформативные свойства разделяют на две категории:
- Собственные деформации.
- Механические деформации.
В первую категорию относят усадки бетонной смеси при наборе прочности и расширения под влиянием температурных и химических воздействий. Ко второй категории относятся изменения, возникающие при приложении постоянных и временных нагрузок.
Усадка бетонной смеси
Усадкой называют уменьшение объема бетона при наборе прочности. Самую большую усадку дает бетон при твердении в естественных (атмосферных) условиях. Это происходит при активном испарении влаги, предназначенной для затворения цемента и образования цементного камня. Наибольшее распространение на практике это получило при неправильном уходе за монолитом. В условиях повышенных температур, бетонная смесь должна накрываться пленкой и постоянно увлажняться до тех пор, пока не закончатся процессы гидратации.
В условиях повышенной влажности бетон не только в полной мере сохраняет свой первоначальный объем, но и может даже показывать незначительное расширение.
Деформации при нагружении
Этот тип деформаций зависит преимущественно от состава смеси, прочностных характеристик и вида приложения нагрузки. Диаграмма сжатия имеет не линейную зависимость. С ростом напряжения деформации значительно увеличиваются, что может привести к разрушению. Определяющим параметром является модуль деформации. Чем выше его численное выражение, тем менее деформативным можно считать бетон.
Большое значение имеют предельные значения деформаций, ведь именно при их достижении бетон переходит в стадию разрушения. Для увеличения критических порогов применяют более прочные заполнители, придающие в целом смеси большую деформативность.
При отсутствии местных материалов, обладающих необходимыми параметрами, применяют пластифицирующие добавки и уменьшают фракцию крупного заполнителя. Это обеспечивает большее сцепление частиц между собой и придает лучшие прочностные характеристики.
Ползучесть бетона
Этот критерий характеризует способность бетона изменять свою геометрическую форму с течением времени под воздействием постоянной нагрузки. Ползучесть еще называют усталостью или памятью бетона.
Истинная природа протекания процесса еще полностью не изучена. Ученые считают, что основной причиной являются пластические изменения, которые происходят в структуре цементного камня и влияют на состояние бетона в целом.
Основные изменения формы происходят в начальный период после приложения постоянной нагрузки. Но при длительной эксплуатации были зафиксированы значения общей деформации значительно превышающие прогибы, полученные на начальном этапе нагружения.
Ползучесть увеличивается с ростом деформативности. Однако кроме этого существует еще ряд факторов, способных оказывать влияние:
3.2. Деформативность бетона
б) силовые, развивающиеся, главным образом, вдоль направления действующих усилий; силовым продольным деформациям соответствуют вполне определенные поперечные деформации, характеризуемые коэффициентом поперечной деформации (коэффициентом Пуассона).
3.3. Объемные деформации бетона
Усадка и набухание. Под усадкой в общем случае принято понимать объемное сокращение бетона (раствора, цементного камня) в результате физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии цемента с водой, изменения влажности цементного камня и карбонизации бетона.
Усадку принято подразделять на две составляющие:
– химическую усадку, связанную с потерей воды при протекании процессов гидратации вяжущего;
– физическую усадку, обусловленную потерей части свободной влаги бетона при ее испарении из открытых пор и капилляров в атмосферу (при сухих условиях эксплуатации).
В общем случае величина усадочной деформации на макроскопическом уровне зависит от следующих основных факторов:
– количества, вида цемента и его активности;
– количества воды затворения или, другими словами, водоцементного отношения;
– температурно-влажностных условий окружающей среды;
– крупности заполнителя и его физико-механических свойств (как фактор, определяющий задерживающее влияние по отношению к свободным деформация усадки цементного камня);
– объемного содержания цементного камня в бетоне;
– межзерновой пустотности заполнителей бетона;
– присутствия добавок и ускорителей твердения, оказывающих влияния на условия формирования структуры бетона (процессы структурообразования).
3.4. Температурные деформации бетона
Нормы по проектированию железобетонных конструкций в интервале температур от –20 до +100 °С рекомендуют принимать значения коэффициента температурного расширения равным at = 1´10 –5 1/°С. В наиболее часто встречаемых эксплуатационных ситуациях это значение мало отличается от коэффициента температурного расширения стали (1,2´10 –5 1/°С).
3.5. Силовые деформации бетона
Если бетон подвергнуть попеременно нагрузке и разгрузке (циклическим нагружениям), то на полученном графике отчетливо выделяется участок остаточных относительных деформаций, который увеличивается с ростом количества циклов нагружения (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Зависимость «s–e» при циклических нагружениях бетона.
Поэтому, силовые относительные деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия подразделяют на:
а) относительные деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой;
б) относительные деформации при длительном действии однократно приложенной нагрузки;
в) относительные деформации при многократно повторяющемся действии нагрузки.
3.6. Деформации бетона при однократном кратковременном загружении
Модуль деформаций бетона
Характеристикой упруго-пластических свойств бетона является его модуль деформаций, устанавливающий зависимость между напряжениями и относительными деформациями в любой точке диаграммы деформирования
Учитывая нелинейную связь между напряжениями и деформациями обычно используют при определении модуля продольных деформаций:
– мгновенный модуль полных деформаций Ес, выражаемый тангенсом угла наклона касательной к кривой, описывающей диаграмму «s–e» в ее произвольной точке (рис. 3.6);
Рис. 3.6. К определению модуля деформаций бетона
– средний модуль упругости Ecm, выражаемый тангенсом угла наклона секущей, проходящей через начало координат (s = 0) и точку на кривой при sе = 0,4fcm;
– начальный модуль упругости Ecо, выражаемый тангенсом угла наклона касательной к кривой, описывающей диаграмму «s–e», и проходящей в начале координат (sс = 0).
Величину среднего модуля упругости для тяжелого и мелкозернистого бетонов в соответствии с нормами определяют по эмпирической формуле вида (МПа):
Нормы проектирования железобетонных конструкций устанавливают значения среднего модуля упругости Ecm, основанные на структурно-механической модели бетона с учетом технологических свойств бетонной смеси.
Значения относительных деформаций в параметрических точках диаграммы деформирования бетона при осевом сжатии
Как было показано выше, при расчетах железобетонных конструкций диаграмма деформирования (состояния) рассматривается как обобщенная характеристика механических свойств бетона. Для ее аналитического описания, а также для определения критерия наступления предельного состояния конструкции, необходимо иметь обоснованные значения относительных деформаций в параметрических точках: eс1 – относительной деформации, соответствующей пиковым напряжениям диаграммы, и ecu – предельной деформации бетона при сжатии.
Нормы устанавливают значения относительной деформации eс1 в зависимости от класса бетона, соблюдая установленную тенденцию к ее возрастанию с ростом прочности материала. При этом численные значения, внесенные в СНБ 5.03.01-02 приняты с некоторым обоснованным запасом в сторону обеспечения безопасности конструкции. Особенно это характерно для высокопрочных бетонов (выше С50/60).
Если принятые в нормах численные значения относительной деформации eс1 отражают единую тенденцию возрастания этой величины с ростом прочности бетона, то в отношении назначения предельной относительной деформации (предельной сжимаемости) ecu у специалистов нет единого мнения. Нормы предлагают принимать предельную относительную деформацию для бетонов нормальной прочности (до С50/60 включительно) постоянной и равной ecu = 3,5 ‰ .
Коэффициент поперечных деформаций бетона при сжатии или так называемый коэффициент Пуассона принимают равным =0,20. В случае, когда допускается образование трещин в бетоне растянутой зоны, коэффициент Пуассона принимают равным =0.
Деформативные свойства бетона
Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании железобетонных конструкций, так как они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений.
Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды:
- собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и затвердевшего бетона (усадка и расширение), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне;
- деформации от действия внешних нагрузок. При этом различают деформации от кратковременного действия нагрузок, от длительного действия и деформации от многократно повторных загружений;
- температурные деформации бетона.
1 –упругие деформации;
2 – секущая;
3 — полные деформации
При длительном загружении бетонного образца постоянной нагрузкой упомянутые выше деформации ползучести непрерывно нарастают с постепенно затухающей скоростью. Деформации ползучести могут в 3-4 раза превышать величину упругой деформации. Деформации ползучести складываются из двух компонент: а) линейной, прямо пропорциональной действующим напряжениям (эта компонента связана с особыми свойствами цементного геля); б) нелинейной, зависящей в основном от развития трещин в структуре бетона (последние деформации становятся заметными лишь при относительно высоких напряжениях – порядка 0,5 Rпр)
Многократно повторное нагружение бетона при напряжениях, не превышающих предела выносливости Rв, приводит к постепенному накапливанию неупругих деформаций, но после достаточно большого числа циклов эти неупругие деформации как бы «выбираются» и бетон становится практически упругим. При напряжениях выше Rв после некоторого числа циклов деформации начинают неограниченно расти. Это свидетельствует о приближающемся разрушении образца.
• Классификация арматуры. Арматуру железобетонных конструкций по ее назначению делят на рабочую (устанавливаемую по расчету для восприятия действующих усилий) и монтажную (устанавливаемую по конструктивным или технологическим соображениям). Рабочую и монтажную арматуру объединяют в сварные (или вязаные) сетки и каркасы.
По технологии изготовления различают арматуру
– горячекатаную стержневую
–холоднотянутую проволочную.
Стержневая арматура может быть подвергнута последующему упрочнению – термическому или вытяжкой. По форме поверхности арматура бывает гладкой или периодического профиля. По способу применения различают напрягаемую (для создания предварительно напрягаемых конструкций) и обычную,ненапрягаемую.
Читайте также: