Механизм разрушения бетона при сжатии

Обновлено: 28.03.2024

Как разрушить бетон: своими руками, химическим и термическим способами

Бетон – один из наиболее востребованных строительных материалов. Он обладает высокой прочностью и отличными эксплуатационными характеристиками. Бетон, как и любой другой строительный материал, подвержен влиянию множества разрушительных факторов. При выборе строительного материала необходимо учитывать его характеристики, в соответствии с условиями эксплуатации.

Трещины в бетоне Трещины в бетоне

Но, иногда необходимо разрушить бетонные сооружения, а для этого нужно знать, как это сделать. Многие думают, что разрушить бетонные сооружения можно только с помощью взрыва, но это не так. Сейчас даже существует специальная техника, которая предназначена для разрушения бетона.

В каких случаях разрушают бетонные сооружения?

Бетонные сооружения могут разрушаться по многим причинам, например, конструкцию больше нельзя использовать. Иногда строители разрушают старый фундамент дома для того, чтобы возвести более прочный.

Часто, на строительстве есть ненужные бетонные блоки, которые подлежат утилизации. Но, для того, чтобы их выбросить, их необходимо разрушить. Это можно сделать с помощью разных способов.

Разрушить бетонные блоки и сооружения можно с помощью взрыва, такой механический способ отлично подходит. Но, помимо него есть ещё несколько способов, они используются того, когда взрыв невозможен.

Методы разрушения бетона

Бетонные конструкции обладают высокой прочностью, поэтому их демонтаж представляет собой комплекс непростых работ. Сейчас существует несколько методов, каждый из которых используется в определённых случаях. Например, есть способ, который помогает разрушать бетон с помощью ультразвука.

К методам разрушения бетона относятся химические, механические и термические способы.

Механические способы

Механические способы разрушения бетона используются часто, с помощью таких способов любой строитель сможет ликвидировать бетонную конструкцию. Работнику понадобится кувалда, с ее помощью бетон разлетится на куски. Скорость разрушения будет зависеть от физической силы, которую будут прикладывать рабочие. Если необходимо разрушить большую бетонную конструкцию, то вам может понадобиться много времени. Для упрощения задачи, необходимо перфоратором сделать несколько дыр в конструкции, это позволит снизить прочность конструкции. Так рабочие смогут быстрее ликвидировать сооружение. Данный метод считается очень сложным, но его можно применять тогда, когда на строительстве нельзя применять специальную технику или электроинструменты.

Механизмы разрушения структуры бетона

Разрушение бетона начинается с разрушения отдельных элементов его структуры, приводя впоследствии в разрушение более крупных структурных объемов.

Можно выделить два исходных механизма разрушения(рисунок 6.1):

Отрыв и сдвиг могут происходить с разрывом зерен заполнителя. Внутризерновые и межзерновые механизмы являются основными в современной статистической теории прочности бетона. Однако под зернами в этом механизме понимают не зерна крупного заполнителя, а некоторые ячейки в структуре бетона, окруженные дефектами, которые могут и не содержать зерен крупного заполнителя. В чистом виде отрывной механизм разрушения реализуется при растяжении, при этом отдельные трещины отрыва, объединяясь в одну, образуют магистральную трещину разрушения.

Чисто сдвиговой механизм разрушения встречается редко, в основном при высоких уровнях трехосного сжатия. В остальных случаях преобладают различные смешанные отрывно-сдвиговые механизмы разрушения:

– зигзаг трещины (см. рисунок 6.1, д);

– ветвления зигзага трещины с включениями клиновидных элементов (см. рисунок 6.1, е);

– в виде часто расположенных трещин отрыва пересекаемых трещиной сдвига (см. рисунок 6.1, ж);

– тонкие части бетона между трещинами, которые могут разрушаться от потери устойчивости (см. рисунок 6.1).

Возможны и другие механизмы разрушений.

Рисунок 6.1 – Механизмы разрушения структуры бетона:

а, б – отрывной, в, г – сдвиговый, д – з – смешанные механизмы разрушения:

1 – по трещинам отрыва одной части элемента от другой; 2 – по трещинам сдвига

одной части элемента относительно другой; 3 – зерна заполнителя

Магистральная трещина может включать на своем пути различные локальные механизмы разрушения. Обычно чем сложнее и разнообразнее механизм разрушения, тем большими деформациями это разрушение сопровождается. Такие механизмы свойственны сжатию. Процесс разрушения бетона, таким образом, представляется, как процесс прогрессирующего разрушения сплошности.

Механизм и характер разрушения сжимаемых образцов

Разрушение бетонного образца, как показывают опыты, возникает вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Сначала по всему объему возникают микроскопические трещинки отрыва. С ростом нагрузки трещинки соединяются, образуя видимые трещины, направленные параллельно или с небольшим наклоном к направлению действия сжимающих сил.

Затем трещины раскрываются, что сопровождается кажущимся увеличением объема. Наконец, наступает полное разрушение.

Влияние условий испытания на прочность бетона при сжатии – формы и размеры образца, длительности и многократного приложения нагрузки. Кубиковая и призменная прочность бетона.

Как показывают опыты схема разрушения и временное сопротивление бетона при сжатии в значительной мере зависят как от абсолютных размеров образца, так и от соотношения размеров.

С точки зрения практики, наиболее удобным представляется испытание бетонных кубов. В соответствии с ГОСТ производят испытание бетонных кубов с ребром 15см, допускается также испытание кубов с ребром 10см и 20см. При этом временное сопротивление бетонных кубов будет тем больше, чем меньше абсолютные размеры образца.

В европейских странах принято испытывать бетонные куба с отношением высоту к диаметру 2:1 и площадью основания 200 кв.см. Бетонные цилиндры сложнее в изготовлении в условиях строительной площадки, однако позволяют унифицировать методы испытаний при укладке бетонной смеси и высверливании кернов из выполненных конструкций.

Как показывают опыты, бетонные кубы разрушаются от разрыва в поперечном направлении. После разрушения образец представляет собой две пирамиды направленные вершинами друг к другу. Наклон трещин (граней пирамиды) вызван наличием трения по опорным плоскостям пресса, которое сдерживает поперечные деформации бетона и не дает ему разрушиться от разрыва в поперечном направлении.


Характер разрушения бетонных образцов в виде куба при сжатии:

а – при трении по опорным плоскостям;

б – при отсутствии трения.

При отсутствии трения по опорным плоскостям, т.е. при наличии смазки или упругих прокладок (например, резиновых) разрушение бетонных кубов происходит по обычной схеме – с образованием параллельных трещин и разрыва в поперечном направлении. В соответствии с ГОСТ бетонные образцы испытывают при отсутствии смазки, т.е. с трением по опорным плоскостям.

Временное сопротивление бетонных кубов называют кубиковой прочностью.

Так как кубиковая прочность получена при наличии трения по опорным плоскостям, то кубиковая прочность, полученная при испытаниях по ГОСТ, является завышенной относительно реальной прочности. Кроме того, реальные конструкции практически всегда отличаются по форме от кубов, и, как правило, представляют собой прямоугольные параллелепипеды (призмы) или цилиндры.

Для получения наиболее достоверных данных о прочности бетона испытывают образцы в виде прямоугольных призм.


Зависимость прочности бетона от отношения размеров испытываемого образца:

а - схема испытываемого образца;

б - график зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров испытываемого образца.

Опыты показывают, что при увеличении отношения высоты призмы к размеру основания временное сопротивление образцов уменьшается. При соотношении h/a приблизительно равном 4, временное сопротивление перестает уменьшаться и приближается к некоторой величине (т.е. имеет асимптоту) прочности. Как показывают результаты испытаний, данная прочность приблизительно на 30% меньше кубиковой.

Временное сопротивление бетонных призм с соотношением высоты к основанию равном 4 называется призменной прочностью.

Призменная прочность является реальной прочностью бетона, т.к. не зависит от наличия трения по опорным плоскостям, размера образца и т.д. Однако изготовление призм в условиях строительной площадки затруднено, в связи с чем принято в большинстве случаев испытывать бетонные образцы в виде кубов с переводом кубиковой прочности в призменную.

Как происходит разрушение бетонных образцов при сжатии.

Как происходит разрушение бетонных образцов при сжатии.

Уже неоднократно было рассмотрено разрушение бетона при одноосном сжатии, но в этом случае требуется более сложная система нагрузки. Для выполнения данного метода между прилегающими стальными плитами и торцевыми поверхностями развиваются тангенциальные силы. При этом в каждом материале действует вертикальное сжатие, которое приводит к поперечному расширению, что вызвано действием коэффициента Пуассона. Но стоит отметить тот факт, что модуль упругости стали выше в 5-15раз, при этом показатель Пуассона превышает существующие значения бетона не более чем в два раза. По этой причине поперечное напряжение в плитах относительно мало, если сравнивать с поперечным расширением бетона в том случае, если бы он мог свободно перемещаться.

При этом отмечается тот факт, что плита может удерживать поперечное расширение бетона в тех участках образца, которые располагаются в непосредственной близости от его концов. Таким образом, степень задержки определяется фактически имеющимся трением. Если же устранить данный показатель, покрыв несущие поверхности слоем графита либо парафина, то в образце будет наблюдаться существенное поперечное расширение, а в некоторых случаях он вовсе раскалывается по всей длине.

При нормальных условиях эксперимента, элементы образцов могут подвергаться не только нагрузке сжатия, но и сдвигающему усилию. Показатель последнего фактора уменьшается, а поперечное расширение повышается пропорционально увеличению расстояния от плит.

По всей видимости, когда действует сдвигающее усилие в дополнение к одноосному сжатию деформация и разрушение образца происходит гораздо позже, а, следовательно, можно сделать вывод, что раскалывание вызывает не только основная деформирующая сила сжатия, но и последующий процесс разрушения, но при этом действует и поперечная деформация на растяжение.

Причины саморазрушения.

Процесс саморазрушения может быть итогом разрушения центральной части образца. При этом поперечное напряжение вызывается действием коэффициента Пуассона, а если принять тот факт, что коэффициент равен 0,2, то в этом случае поперечное напряжение составит Vs от осевого напряжения. На сегодняшний день мы не имеем никаких точных критериев разрушения бетонного раствора, но есть указания, что процесс разрушения происходит при действии предельной деформации на уровне 0,002-0,004 на сжатие либо 0,0001-0,0002 на растяжение. Вследствие того, что отношение второго показателя меньше к первому, нежели коэффициент Пуассона для бетона, то это значит, что условия разрушения образуются гораздо быстрее, нежели будет достигнут предельный уровень напряжения сжатия.

После проведения многих испытаний цилиндров были получены результаты о том, что наблюдалось вертикальное раскалывание, в частности, в очень прочных образцах, из чистого цементного теста либо раствора по той причине, что крупный заполнитель препятствует появлению трещин в поперечном направлении.

Появление вертикальных трещин было подтверждено специальными измерениями скорости распространения ультразвукового импульса, как поперек, так и вдоль образца.

Все эти данные никак не сказываются на ценности экспериментов на сжатие, но не стоит рассматривать результаты в качестве истинных данных жесткости бетона при сжатии.

Добавлено: 20.01.2015 11:37:41

Отзывы и комментарии (0):

Еще статьи в рубрике Обсуждаем различные вопросы строительства и ремонта:

Сегодня многие строительно-ремонтные фирмы осуществляют все виды отделочных работ, избавляя владельца квартиры от утомительных поисков квалифицированных мастеров. .

Если вы не любитель экстремальной езды, но кататься на велосипеде вам по душе, лучшим вариантом для вас станет городской велосипед. Городские .

Встреча Нового года за границей – это всегда яркий, незабываемый праздник и масса впечатлений, независимо от того, что вы решите – .

Задумавшись о ремонте или замене ванной стоит подумать о том, то делать с настенной плиткой, которая укреплена на краю ванной. Как .

Принято считать, что косметический ремонт квартиры является самым простым видом ремонтных работ. Однако следует учитывать, что нередко он включает в себя .

Начнем со статистики, и она же, по нашему мнению, должна послужить холодным душем для всех тех, кто еще не приобрел детские .

Основные физико-механические свойства бетона и арматуры

Физико-механические свойства бетона зависят от его состава, технологии изготовления конструкций и вида их напряженного со­стояния. Следует учитывать и тот факт, что с увеличением загрязне­ний и крупного заполнителя прочность бетона ухудшается. При постоянном водоцементном соотношении механические свойства цементного бетона практически не зависят от соотношения между количеством вяжущего и заполнителя.

Характерной особенностью для всех видов бетона является не­однородность структуры. Повышение структурной однородности бетона существенно влияет на улучшение его физико-механичес­ких свойств, что способствует значительному росту прочности бе­тона. Так как неоднородность и дефектность структуры бетона но­сят случайный характер, то механические свойства бетона целесо­образно оценивать с точки зрения статистической механики твердого тела, т. е. с учетом вероятностного описания его напряженно-дефор­мированного состояния.

Вследствие усадки цементного камня, в его соприкосновении с заполнителем возникают микротрещины сцепления ненагруженного бетона. Размеры этих трещин и их количество зависят от микро- и макроструктуры бетона. С увеличением сжимающей нагрузки силы сцепления ослабляются и происходит развитие микротрещин, не­смотря на процесс уплотнения бетонной массы. Наряду с этим про­исходит увеличение растягивающих напряжений в направлении, перпендикулярном плоскости приложения внешней силы. При крат­ковременном однократном сжатии или растяжении уровень напря­жений Rb1 при котором образуются трещины в цементном камне, называют нижней границей микроразрушения или пределом упру­гости бетона (рис. ниже). Эта величина характеризуется максимальным уплотнением сжатого бетона образца, что подтверждается из­менением относительной скорости ультразвука.

Диаграммы деформаций бетона при кратковременном однократном действии нагрузки

1 - 0211

Rb1 — нижняя граница микроразрушения; Rb2 — верхняя граница микроразрушения; Rbm — среднее значение прочности бетона на сжатие; Rbt,m — то же, на растяжение; εb,el— упругая деформация бетона при сжатии; εb,pl — то же, пластическая; v— относительная скорость ультразвука

В тех местах, где цементный камень ослаблен порами и дефек­тами, возникают концентрации напряжений. Это обстоятельство способствует (при увеличении нагрузки) началу разрушения цемент­ного камня и снижению его сцепления с заполнителем. В результа­те происходит разуплотнение бетона. Уровень напряжений Rb2, при котором прекращается прирост объема образца, принимают за верх­нюю границу микроразрушения. При дальнейшем увеличении на­грузки происходит интенсивное трещинообразование в бетоне и его отрыв от образца в поперечном направлении.

Уровни Rb1 и Rb2 при осевом сжатии бетона могут быть опреде­лены по зависимостям О.Я. Берга:

1 - 0212

Физические процессы уплотнения, разуплотнения, микро- и макроразрушения бетона обусловливают характер его деформиро­вания как при сжатии, так и при растяжении. Если статическая на­грузка возрастает мгновенно, то в бетоне развиваются упругие де­формации, которые прямо пропорциональны напряжениям, т. е. подчиняются закону Гука. При напряжениях σb относительные ве­личины деформаций составляют εb,el (рис. выше). При медленном увеличении нагрузки на образцы возникают пластические дефор­мации бетона εb,pl, которые в теории железобетона называют дефор­мациями быстронатекающей ползучести. При замедленном (дли­тельном) увеличении нагрузки показатель прочности бетона может снизиться на 10% в сравнении с кратковременным (мгновенным) возрастанием нагрузки.

К основным физико-механическим свойствам бетона относят­ся прочность и деформативность, определяемые его структурой.

Прочность бетона. Бетон имеет капиллярно-пористую неодно­родную структуру, образованную зернами заполнителя (песок, ще­бень или гравий), скрепленными цементным камнем в монолитный твердый материал. По данным исследований, поры и капилляры занимают около трети объема цементного камня. В таком неоднородном материале внешняя нагрузка создает сложное напряженное состояние.

В сжатом бетонном образце напряжения концентрируются на более твердых частицах и около пор и пустот. При этом растягива­ющие напряжения действуют по площадкам, параллельным направ­лению силы (рис. ниже). Так как в бетоне много хаотически распо­ложенных пор и пустот, то растягивающие напряжения накладыва­ются друг на друга.

Поскольку сопротивление бетона растяжению значительно мень­ше, чем сжатию, то разрушение сжимаемого образца происходит в результате разрыва бетона в поперечном направлении (рис. ниже). Отсутствие закономерности в расположении твердых частиц и пор приводит к существенному разбросу показателей прочности при испытании образцов из одного и того же бетона.

К бетону неприменимы классические теории прочности, так как они справедливы для материалов с идеальными свойствами. Поэтому данные о его прочности и деформативности основываются на большом числе экспериментов.

Схема напряженного состояния и разрушения сжатого бетонного образца

1 - 0213

Прочность бетона зависит от многих факторов, основными из которых являются: время и условия твердения, вид напряженного состояния, форма и размеры образцов, длительность нагружения.

Опытами установлено, что прочность бетона нарастает в тече­ние длительного времени, но наиболее интенсивный ее рост проис­ходит в начальный период твердения (28 суток при применении портландцемента, 90 суток при пуццолановом и шлаковом портланд­цементе). В дальнейшем нарастание прочности значительно замед­ляется, но при положительной температуре и влажной среде про­должается еще годами (рис. ниже).

Нарастание прочности бетона во времени при хранении во влажной (а) и сухой (б) средах

1 - 0214

Из рисунка видно, что в бетоне, хранившемся во влажной сре­де, увеличение прочности продолжается и по истечении 10 лет. В бе­тоне же, хранившемся только 7 дней во влажной среде, а затем в сухой, нарастание прочности почти прекратилось примерно через год. Опыты над образцами, хранившимися во влажной среде в те­чение 20 лет, показали, что прочность их непрерывно растет.

На прочность бетона большое влияние оказывает скорость на­гружения образцов. При замедленном нагружении прочность бето­на оказывается меньше на 10-15%, чем при кратковременном. При быстром нагружении (0,2 с и менее) прочность бетона, наоборот, возрастает до 20%. Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона.

Кубиковая прочность бетона при сжатии является основной механической характеристикой (эталон прочности) материала. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в по­перечном направлении. Однако силы трения, возникающие на опорных гранях, препятствуют поперечным деформациям куба вблизи торцов и создают эффект обоймы (рис. ниже). Если устра­нить влияние сил трения смазкой контактных поверхностей, то поперечные деформации проявляются свободно и куб раскалыва­ется по трещинам, параллельным направлению действия сжима­ющей силы (рис. ниже), а его прочность уменьшается примерно вдвое. По ГОСТу кубы испытывают без смазки контактных повер­хностей. Силы трения влияют на прочность кубов в зависимости от их размеров: чем меньше размер куба, тем больше его проч­ность. Так, если прочность куба с ребром 15 см равна R, то для куба с ребром 10 см она равна 1,12R, а с ребром 20 см

Кубиковая прочность бетона при сжатии необходима для произ­водственного контроля и при проектировании не применяется, так как реальные конструкции по форме отличаются от куба и при­ближаются к форме призм. Поэтому за основную характеристику прочности батона сжатых элементов принята призменная проч­ность — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм с квадратным основанием а и высотой h.

Характер разрушения бетонных кубов при сжатии

1 - 0215

1 — силы трения; 2 — смазка

Опыты показали, что с увеличением h/a влияние сил трения на торцах уменьшается и прочность призм снижается. Разрушение наступает от поперечного растяжения и образования продольных трещин (см. рис. выше). При h/a > 4 прочность призм становится постоянной и равной Rb

(0,7-0,8)R. Призменную прочность ис­пользуют при расчете сжатых и изгибаемых элементов.

Прочность бетона при местном сжатии (смятии) учитыва­ют при передаче давления только на часть площади (опирание ба­лок, ферм, колонн и т. д.). Как показывают опыты, в этом случае загруженная часть площади обладает большей прочностью, чем Rb, так как в работе участвует также бетон, окружающий площад­ку смятия и создающий эффект обоймы. Прочность бетона на ме­стное сжатие

где Alog1 — площадь смятия; Alog2 — расчетная площадь, включаю­щая площадку смятия и дополнительный участок, как правило, сим­метричный по отношению к площади смятия.

Прочность бетона при растяжении зависит от прочности це­ментного камня, силы его сцепления с заполнителем и значительно меньше прочности при сжатии. При осевом растяжении прочность бетона R bt = (0,1-0,05)R.

Причем с увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при растяжении уменьшается. Опытным путем Rbt определяют испытаниями на разрыв восьмерок или на раскалы­вание образцов в виде цилиндров и кубов.

Прочность бетона при срезе и скалывании в железобетон­ных конструкциях встречается редко. Обычно срез сопровождается действием нормальных сил. Под чистым срезом понимается разде­ление элемента на две части по сечению, в плоскости которого дей­ствуют перерезывающие силы. Прочность бетона при срезе можно определять по эмпирической зависимости:

Значительно чаще бетон в железобетонных конструкциях рабо­тает на скалывание, например, в балках под действием поперечных сил. Скалывающие (касательные) напряжения при изгибе изменя­ются по высоте сечения по квадратной параболе. Сопротивление бетона скалыванию, по опытным данным, в 1,5-2 раза больше прочности при осевом растяжении.

Прочность бетона при длительных, быстрых и многократ­но повторяющихся нагружениях. При длительном действии ста­тической нагрузки бетон разрушается при меньших напряжениях, чем временное сопротивление кратковременной нагрузке. Это вы­звано развитием значительных неупругих деформаций и структур­ных изменений в бетоне. Предел длительного сопротивления бето­на при осевом сжатии, по опытным данным, составляет 0,9Rb. Если конструкция эксплуатируется в благоприятных для нарастания проч­ности бетона условиях (например, гидротехнические сооружения, эксплуатируемые во влажной среде), то уровень напряжений OtJRb постепенно уменьшается в связи с ростом Rh, и отрицательное вли­яние длительного загружения будет со временем проявляться мень­ше. При нагрузках малой продолжительности (порыв ветра, транс­портные средства, краны, удар и т. д.) бетон разрушается при боль­ших напряжениях (1,1-1,2)Rb.

Многократно повторяющиеся нагрузки снижают сопротивле­ние бетона сжатию под влиянием развития микротрещин. Предел выносливости бетона зависит от числа циклов нагрузки, характе­ристики цикла ρb = σminmax и принимается не менее 0,5Rb.

Его используют при расчете на выносливость железобетонных конструкций, испытывающих динамические нагрузки (подкрановые балки, пролетные строения мостов и т. д.).

Деформации бетона под нагрузкой. В бетоне различают де­формации двух основных видов: силовые, развивающиеся под дей­ствием внешних сил, и температурно-влажностные.

Бетон является материалом с ярко выраженными упругопластич­ными свойствами. Уже при небольших напряжениях в нем кроме упругих (восстанавливающихся) деформаций развиваются пластичес­кие (остаточные) деформации, которые в основном зависят от харак­тера приложения и длительности действия нагрузки. Поэтому сило­вые деформации различают при однократном кратковременном, дли­тельном и многократно повторяющихся нагружениях.

При однократном действии кратковременной нагрузки дефор­мации бетона оценивают путем испытания бетонных призм на сжа­тие. Если призму загружать ступенями и замерять деформации на каждой ступени дважды (после приложения нагрузки и через неко­торое время после выдержки под нагрузкой), то диаграмма σ-ε бу­дет ступенчатой (рис. ниже). Деформации εpl, замеренные сразу после приложения нагрузки, —упругие и прямо пропорциональны напря­жениям, а деформации εpl, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, — пластические. Упругие деформации соответствуют мгновенной скорости загружения образца.

Пластические деформации с уменьшением скорости загруже­ния или увеличением времени выдержки образца под нагрузкой возрастают, а зависимость σ-ε становится более пологой. Таким образом, полная деформация бетона εb = εel + εpl. При большом ко­личестве ступеней загружения график σ-ε становится криволиней­ным (пунктир на рис. ниже). В общем случае диаграмма «напряже­ния— деформации» для бетона изображена на рис. ниже. Если в какой-то момент загружения, соответствующий напряжению σb, нагрузку с бетонного образца быстро снять, то кривая σ-ε будет обращена выпуклостью в противоположную сторону. В процессе разгружения восстанавливается часть неупругих деформаций (рис. ниже). После полной разгрузки в образце сохраняются оста­точные деформации, которые с течением времени частично восста­навливаются (деформации упругого последействия εep).

Диаграмма σ-ε при испытании бетонных призм на сжатие

1 - 0218 - копия

1 — упругие деформации; 2 — полные деформации

Общая диаграмма «напряжения-деформации» бетона

1 - 0218

' 1 и 2 — соответственно области упругих и пластических деформаций

Связь между напряжениями и деформациями для бетона, как упругопластичного материала, характеризуется модулем деформа­ции и является переменной величиной, определяемой как тангенс угла наклона касательной к кривой σ-ε, т. е. Eb = tga = dσ/dε. Ис­пользование такого определения модуля деформаций сложно и затруднительно.

Поэтому для практических расчетов при небольших напряже­ниях σb < Rb, связь σ-ε принимается линейной (соответствует за­кону Гука) и называется начальным (или мгновенным) модулем уп­ругости Eb - tga = σbel. При σb > 0,3/Rb влияние пластических деформаций становится существенным и в расчетах используют средний модуль, или модуль упругопластичности, представляющий собой тангенс угла наклона секущей Eb,Pl = tga = σbel.

где v = εlb — коэффициент, характеризующий упругопластичное со­стояние бетона при сжатии; он изменяется от 1 (при упругой работе) до 0,1 и зависит от величины напряжений и длительности нагрузки.

При осевом растяжении диаграмма σ-ε имеет тот же характер, что и при сжатий. Начальные модули упругости бетона при растяже­нии и сжатии отличаются незначительно и могут быть приняты оди­наковыми. Тогда модуль упругопластичности бетона при растяжении

где vt —коэффициент, характеризующий упругопластическое состо­яние бетона при растяжении. При σbt - Rbt по опытным данным vt = 0,5.

При длительном действии нагрузки неупругие деформации бе­тона с течением времени увеличиваются. Эти деформации интен­сивно нарастают в первые 3—4 месяца, затем их рост постепенно замедляется и прекращается через несколько лет.

Нарастание неупругих деформаций во времени при длитель­ном действии нагрузки или напряжений (температурных, влажно­стных и т. п.) называют ползучестью бетона. Деформации ползу­чести могут в 3-4 раза превышать упругие деформации. Дефор­мации ползучести бетона и скорость их нарастания во времени зависят от очень многих факторов. Так, с ростом напряжений пол­зучесть бетона увеличивается; загруженный в раннем возрасте бетон характеризуется большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влаж­ной. На ползучесть бетона также влияют технологические факто­ры: увеличение количества цемента и В/Ц, применение цементов низких марок повышают ползучесть; хорошо фракционированный заполнитель, тщательное уплотнение бетонной смеси уменьшают деформации ползучести.

Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная пол­зучесть возможна при σb < 0,5Rb, когда увеличение деформаций примерно пропорционально увеличению напряжений (рис. ниже, кривая 1). При напряжениях σb > 0,5Rb в бетоне появляются микро­трещины, начинаются ускоренное нарастание неупругих деформа­ций и нелинейная ползучесть (рис. ниже, кривая 2). Так как граница между этими двумя видами ползучести (граница развития микро­трещин) выше напряжений при эксплуатационных нагрузках, наи­большее практическое значение имеет линейная ползучесть.

Деформации ползучести бетона

1 - 0220

Для количественной оценки деформаций ползучести пользуются величинами: характеристика ползучести φt и мера ползучести С(t);

где εpl(t) —деформация ползучести к моменту времени t; εel —упру­гая деформация в момент загружения (рис. ниже, t = 0); σb— дли­тельно действующие напряжения.

При многократно повторяющейся нагрузке происходит посте­пенное накопление неупругих деформаций. После определенного числа циклов загружения и разгрузки неупругие деформации вы­бираются, и бетон начинает работать упруго. Такой характер де­формирования наблюдается при напряжениях, не превышающих предела выносливости. При большем значении напряжений пос­ле некоторого числа циклов неупругие деформации начинают нео­граниченно расти и происходит разрушение образца, т. е. насту­пает усталость бетона.

Предельные деформации бетона. Предельными называют деформации бетона перед его разрушением. Различают предельную сжимаемость εbu и растяжимость εbtu, которые зависят от прочнос­ти бетона, его состава и длительности приложения нагрузки.

С увеличением прочности бетона они уменьшаются, а с ростом длительности нагрузки увеличиваются. По данным опытов, предель­ная сжимаемость бетона εbu = (0,8—З)10 -3 . В расчетах принимают εbu = 2 · 10 -3 , а при длительном действии нагрузки εbul = 2,5 · 10 -3 .

Предельная растяжимость бетона в 10-20 раз меньше предель­ной сжимаемости и в среднем принимают εbtu = 1,5 · 10 -3 . Величину εbtu можно определять в зависимости от прочности бетона при растяжении с учетом модуля упругопластичности бетона (см. фор­мулу выше):

Предельная растяжимость бетона существенно влияет на сопро­тивление образованию трещин в растянутых зонах железобетонных конструкций.

Температурные и влажностные деформации бетона. Темпе­ратурные деформации бетона неизбежны в массивных гидротехни­ческих сооружениях при их бетонировании. Твердение бетона со­провождается выделением теплоты (экзотермический разогрев) и при последующем неравномерном остывании конструкции появля­ются значительные температурные деформации. Они возникают также в сооружениях, подверженных атмосферным воздействиям или изменениям технологических температур. Температурные де­формации при ограничении перемещений конструкций (статичес­ки неопределимые) или при неравномерном их распределении по объему (в массивных сооружениях) вызывают растягивающие на­пряжения, которые могут привести к появлению трещин. Для рас­чета температурных деформаций и напряжений пользуются коэф­фициентом линейного расширения бетона, величина которого, по опытным данным, при температуре от -50 до +50 °С в среднем со­ставляет 1-10 -5 1/град.

Влажностные деформации бетона вызваны его свойством: уменьшаться в объеме при твердении в воздушной среде (усадка) и увеличиваться в объеме при увлажнении (набухание). Усадку бето­на можно представить как сумму деформаций двух видов: собствен­но усадки и влажностной усадки.

Собственно усадка происходит в результате уменьшения истин­ного объема системы цемент — вода в процессе гидратации цемен­та и необратима. Влажностная усадка связана с испарением сво­бодной влаги в бетоне; она частично обратима: при твердении на воздухе происходит усадка бетона, а при достаточном притоке вла­ги — набухание. Деформации влажностной усадки бетона в 10-20 раз больше деформаций собственно усадки.

Усадка бетона происходит наиболее интенсивно в начальный период твердения и в течение первого года. В дальнейшем она по­степенно затухает. Величина и скорость усадки зависят от влажно­сти окружающей среды (чем меньше влажность, тем больше уса­дочные деформации и выше скорость их роста), вида цемента, со­става бетона, способов его укладки и т. д. Неравномерное высыхание бетона по объему в массивных гидротехнических сооружениях при­водит к неравномерной усадке. Открытые поверхностные слои бетона теряют влагу быстрее и усадка их больше, чем внутренних, более влажных зон. В результате такой неравномерности во внут­ренних слоях бетонного тела возникают сжимающие, а в наруж­ных — растягивающие напряжения, приводящие к образованию поверхностных трещин.

Величина усадки (набухания) зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах. По опытным данным средние де­формации могут быть приняты равными: усадки — 2 · 10 -4 , набу­хания — 1 · 10 -4 . Уменьшение усадочных деформаций и напряже­ний в бетоне достигается как технологическими (уменьшение рас­хода цемента и отношения В/Ц, повышение плотности бетона, увлажнение открытых поверхностей и т. д.), так и конструктивными мерами, например, устройством усадочных швов, постановкой противоусадочной арматуры. Наиболее радикальным средством ус­транения усадки является применение безусадочных цементов.

В строительстве наибольшее применение получили обычные тяжелые бетоны плотностью 22-25 кН/м. Прочность бетона нарас­тает с течением времени. Наиболее быстрый ее рост происходит в начальный период твердения (28 суток для портландцемента, 90 су­ток для пуццоланового и шлакового портландцемента).

В зависимости от вида действующих нагрузок (сжатие, растя­жение, изгиб, срез) бетон имеет различную прочность.

Кубиковая прочность R — это временное сопротивление сжа­тию бетонных кубов размером 150x150x150 мм.

Так как реальные конструкции но форме отличаются от куба, то при расчетах используется призменная прочность Rb, представляю­щая собой временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм с квадратным основанием а и высотой h.

При соотношении h/a > 4 призменная и кубиковая прочности связаны зависимостью

Прочность бетона при растяжении, связь призменной и кубико- вой прочности определяются эмпирической формулой

Прочность бетона на растяжение при изгибе Rbtc вычисляется по обычной формуле изгиба, не учитывающей пластические деформации,

Среднее значение коэффициента изгиба

В действительности, для различных бетонов значение Кс колеб­лется в широких пределах. Прочность бетона при растяжении оп­ределяется по формуле

Разрушение бетонных и железобетонных конструкций. Причины и защита бетона от разрушений.

Бетонные и железобетонные конструкции несмотря на свою основательность очень подвержены различного типа разрушениям. Предусмотреть все возможные сценарии необходимо заранее и перед строительством и в процессе эксплуатации. Это нужно для того, чтобы изначально подготовить конструкцию к возможным воздействиям и укрепить ее, а также для того, чтобы вовремя разрушение распознать и предотвратить.

Возможные причины разрушения железобетонных конструкций:

Образование карбоната кальция внутри бетонной конструкции

Первоначально углекислота проникает внутрь бетона. В конструкциях подвергающихся атмосферному влиянию, углекислота вызывает формирование карбоната кальция. Воздействие особенно велико, когда двуокись углерода находится в газообразном состоянии, т. е. в порах, заполненных воздухом.

Далее происходит трансформация извести с образованием карбоната кальция.

Процесс протекает в присутствии воды и двуокиси углерода. В местах сильного скопления влаги она значительно ниже. Таким образом, в порах, полностью заполненных водой, скорость проникновения может быть около нуля.

Бетон разрушается и арматура попадает в кислотную среду.

Будучи пористым, бетон хорошо поглощает углекислый газ, кислород и влагу присутствующие в атмосфере. Способность бетона поглощать оказывает пагубное воздействие на арматуру, которая при повреждении бетона попадает в кислотную среду и начинает корродировать.

Ржавчина, формирующаяся при окислении арматуры, увеличивает ее объем, повышает внутреннее напряжение и приводит к разломам бетона и оголению корродирующей арматуры.

КОЛИЧЕСТВО УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ:

Сельская местность - 0,03%

Воздух цехов - до 1%

Коррозия арматуры (ржавление) обычно протекает одновременно с коррозией бетона, но может протекать и независимо от коррозии бетона. Как правило вдоль арматурных стержней возникают трещины и отколы бетона с частичным обнажением арматуры. Оголенная арматура разрушается еще стремительнее, что приводит к быстрому изнашиванию железобетонной конструкции.

Воздействие воды содержащей в себе углекислоту и серную кислоту органического происхождения.

Мягкая вода обладает большой растворяющей способностью. При этом на поверхности бетона появляются белые хлопья, это явный внешний признак такой коррозии.

Наличие естественных примесей, таких как гипс и ангидриды; различие размеров частиц в заполнителях и ускорителях.

Разрушение может происходить и от воздействия грунтовых вод, так как они содержат сернокислотный кальций, а также от воды с магнезиальными и аммиачными солями.

Особенно вредны для бетона соли серной кислоты, а также некоторых других кислот. Такие соли образуют сульфат кальция и алюминия. Растворяясь сульфатоалюминат кальция вытекает и образует белые подтеки на поверхности бетона.

Воздействие морской воды, солей и антиобледенителей.

Морская вода содержит сульфатомагнезит, хлористую магнезию и другие вредные соли, поэтому при систематическом воздействии несет разрушительное воздействие на бетон.

Соли, содержащиеся в антиобледенительных реагентах, которые используют зимой на дорогах, во время таяния и дождей проникают в конструкцию и вызывают коррозию и разрушение. И процесс этот происходит с большой скоростью.

При проникновении хлора в бетон до арматурных стержней, он снимает пассивирующую пленку оксидов железа, и в результате арматура подвергается процессам коррозии.

  • Взаимодействие щелочей цемента с заполнителями

В результате реакции образуется гель, который расширяется в присутствии воды или влаги и разламывает бетон вокруг этих образований.

Проявляются эта реакция в защитном слое бетона в виде трещин на поверхности. Возможен также подрыв небольших участков бетона.

Подобного типа разрушения часто встречаются на полах промышленных объектов.

Проникновение воды в поры бетона и последующее замерзание и оттаивание.

Среда, в которой находятся железобетонные конструкции часто подвержена циклическому замораживанию и оттаиванию бетона, это является довольно распространенной причиной разрушения бетона.

Высокие температуры, в том числе технологического процесса, приводят к разному расширению бетона и арматуры, разрыву заполнителя с вяжущим, а при быстром остывании к образованию извести.

Усадка бетона бывает двух типов: пластическая и гигрометрическая.

Пластическая усадка возникает на стадии укладки бетона или в первые дни после укладки из-за быстрого выделения влаги. Гигрометрическая усадка возникает уже после укладки бетона в первые несколько месяцев.

МЕХАНИЧЕСКИЕ

Постоянные механические и пешеходные нагрузки, нагрузки твердых частиц приводят к истиранию бетона. Такому воздействию больше всего подвержены бетонные полы.

Интенсивные ударные нагрузки безусловно разрушают бетонную конструкцию, а в частности страдают, надламываются - кромки на швах и стыках.

Разрушения от природных воздействий - обледенение, вода, ветер.

Такое воздействие сопровождается сносом материала с поверхности бетона и оголением заполнителя.

Для предотвращения такого типа разрушений важна именно своевременная защита поверхности бетона.

Выступы на поверхности, наплывы бетона из-за неправильно установленной или не достаточно жесткой опалубки; раковины на поверхности бетона из-за скопления воздуха, воды, недостатка раствора, недостаточного уплотнения бетона.

Усадочные трещины из-за недостаточного ухода за свежеуложенным бетоном; трещины конструктивного и технологического происхождения (результат транспортировки, защемления, процесс строительства, эксплуатационные нагрузки и т.д.)

Своевременность применения защитных мер и ремонта бетонных и железобетонных конструкций крайне важна и может предотвратить серьезные последствия.

Разрушения от любого воздействия бывают двух типов: конструкционные и неконструкционные. В зависимости от типа разрушений необходимо только подобрать правильные материалы.

А так же обратить внимание на укрепляющую полиуретановую пропитку DOLOTEX WIRON и на двухкомпонентный эластичный состав на основе цемента DOLOTEX SILFLEX Н в качестве защиты от коррозии.

Читайте также: