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 бетона (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 в при многократно повторном действии нагрузки.

Объемные деформации

По данным опытов для тяжелых бетонов деформации, вызванные усадкой и более, для бетонов на пористых заполнителях . Деформация бетона при набухании меньше, чем при усадке.

Деформации бетона, возникающие под влиянием изменения температуры, характеризуются коэффициентом линейной температурной деформации бетона . При изменении температуры от до для тяжелого, мелкозернистого бетона и бетона на пористых заполнителях с кварцевым песком ; для легких бетонов на мелких пористых заполнителях . Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей влажностного состояния бетона и может изменяться в пределах +- 30%.

Деформации при однократном загружеиии кратковременной нагрузкой

При однократном загружении бетон­ной призмы кратковременно приложенной нагрузкой деформации бетона

т. е. она складывается из упругой деформации и не­упругой пластической деформации (рис. 1.10). Не­большая доля неупругих деформаций в течение некоторо­го периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %). Эта доля называется деформацией упруго­го последствия . 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 по­лучим ступенчатую линию, изображенную на рис. 1.11, а. Деформации, измеренные после приложения нагрузки, — упругие и связаны с напряжениями линейным законом. Деформации, развивающиеся за время выдержки под на­грузкой, — неупругие; они увеличиваются с ростом на­пряжений и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загруженпя зависимость между напряжениями и деформа­циями может быть изображена плавной кривой. Также и при разгрузке, если на каждой ступени замерять деформации дважды (после снятия нагрузки и через неко­торое время после выдержки под нагрузкой), то можно получить ступенчатую линию, которую при достаточно большом числе ступеней разгрузки можно заменить плав­ной кривой, но только уже вогнутой (см. рис. 1.10).

Таким образом, упругие деформации бетона соответ­ствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, в то время как неупругие деформации развиваются во времени. С увеличением скорости загружения при од­ном и том же напряжении неупругие деформации уменьшаются (рис. 1.11,б).

При растяжении бетонного образца также возникает деформация

складывающаяся из упругой и пластической де­формаций.

Деформации при длительном действии нагрузки

При сжатии бетонной призмы в режиме пропорциональ­ного развития во времени продольных деформаций об­наруживается постепенное снижение сопротивления бето­на, так называемая ниспадающая ветвь диаграммы на­пряжения — деформации (см. рис. 1.10). Такой участок повышенного деформирования бетона реально наблюда­ется в конструкциях при определенных условиях нагружения, например, при сжатии бетона у внешней грани сжатой зоны изгибаемых элементов. 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 (рис. 1.11, в) участок 0—1 харак­теризует деформации, возникающие при загружении (его кривизна зависит от скорости загружения); участок 1—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжении.

Свойства бетона, характеризующиеся нарастанием не­упругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях, называют ползучестью бетона. Деформа­ции ползучести могут в 3…4 раза превышать упругие деформации. При длительном действии постоянной на­грузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения в бетоне остаются постоянными. Когда же связи в бетоне (например, стальная арматура) ограни­чивают свободное развитие ползучести (стесненная пол­зучесть), то напряжения в бетоне уменьшаются. Свой­ство бетона, характеризующееся уменьшением с течени­ем времени напряжений при постоянной начальной деформации , называют релаксацией напряжений. Ползучесть и релаксация имеют общую природу и ока­зывают существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой.

Природа ползучести бетона объясняется его структу­рой, длительным процессом кристаллизации и уменьше­нием количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряже­ний с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зерна за­полнителей. Одновременно развитию деформаций ползу­чести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс пере­распределения напряжений затухает и деформирование прекращается.

Ползучесть разделяют на линейную, при которой за­висимость между напряжениями и деформациями при­близительно линейная, и нелинейную, которая начинает­ся при напряжениях , превышающих границу образо­вания структурных микротрещин. Такое разделение ползучести условно, так как в некоторых опытах наблю­дается нелинейная зависимость и даже при относи­тельно малых напряжениях. Учет нелинейной ползучести имеет существенное значение в практических расчетах предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и некоторых других элементов.

Опыты с бетонными призмами показывают, что неза­висимо от того, с какой скоростью загружения было получено напряжение (рис. 112, а), конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми. С ростом напряжений ползучесть бетона увеличивается; зависимость деформации — время при напряжениях показана на рис. 1.12,б.

Загруженный в раннем возрасте бетон обладает боль­шей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Технологические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увеличением и количества цемента на единицу объема бетонной смеси ползучесть возрастает; с по­вышением прочности зерен заполнителей, повышением прочности бетона, его класса она уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжелые бетоны.

Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет собой сумму деформаций: упругой , деформацией ползучести и усадки . Однако в то время как усадка носит ха­рактер объемной деформаций, ползучесть развивается главным образом в направлении действия усилия.

Деформация бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки

Многократное повторение циклов за­грузки — 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. 1.13 показано, как с каждым последующим циклом неупругие деформации накапливаются, а кривая зави­симости , постепенно выпрямляясь, становится прямой, характеризующей упругую работу. Такой харак­тер деформирования наблюдается лишь при напряжени­ях, не превышающих предел выносливости . При больших напряжениях после некоторого числа циклов неупругие деформации начинают неограниченно расти, что приводит к разрушению образца, при этом кривизна линии зависимости меняет знак, а угол наклона к оси абсцисс последовательно уменьшается.

При вибрационных нагрузках с большим числом по­вторений в минуту (200…600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползу­честью или динамической ползучестью.

Предельные деформации бетона перед разрушением

Это предельная сжимаемость и предельная растяжи­мость которые зависят от прочности бетона, его класса, состава, длительности приложения нагрузки (см. рис. 1.10). С увеличением класса бетона предельные де­формации уменьшаются, но с ростом длительности при­ложения нагрузки они увеличиваются. В опытах при осе­вом сжатии призм наблюдается предельная сжимаемость бетона , в среднем ее принимают рав­ной . В сжатой зоне изгибаемых элементов наблюдается большая, чем у сжатых призм, предельная сжимаемость, зависящая от формы поперечного сечения и относительной высоты сжатой зоны:. При уменьшении ширины поперечного сечения книзу и в тавровых сечениях уменьшается, а при уменьше­нии относительной высоты сжатой зоны — увеличивается. Она зависит также от насыщения сечения продольной арматурой.

Если при достижении значения бетонную призму последовательно разгружать, на диаграмме появ­ляется нисходящий участок кривой, а предельная сжи­маемость достигает значения (см. рис. 1.10).

Предельная растяжимость бетона в 10…20 раз мень­ше предельной сжимаемости, в среднем . Для бетонов на пористых заполнителях это значение не­сколько больше. Предельная растяжимость бетона су­щественно влияет на сопротивление образованию трещин в растянутых зонах железобетонных конструкций.