Деформации бетона под нагрузкой, усадка и ползучесть.

Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки деформации бетона продолжают возрастать в течение 3...4 лет и более. С наибольшей интенсивностью онп нарастают в первые 3...4 месяца действия нагрузки.

Участок 0—1 на рис. 1.17 характеризует деформации бетона при нагружении, причем кривизна этого участка зависит от скорости нагружения образца; участок 1—2 характеризует рост деформаций за время t выдержки под нагрузкой при постоянных напряжениях. Прирост деформаций постепенно затухает, их значение приближается к некоторому предельному.

Свойство бетона, характеризуемое нарастанием деформаций под действием длительно приложенной нагрузки, называют ползучестью бетона.

Как показывают опыты, с увеличением напряжений увеличивается и ползучесть бетона.

С достаточной степенью достоверности ползучесть бетона может быть объяснена сегодня вязким (т. е. связанным со временем действия нагрузки) течением гелевой структурной составляющей цементного камня, капиллярными явлениями (интенсификацией процесса отдачи воды при сжатии в окружающее пространство) и развивающимся во времени микротрещинообразованием.

Так, в частности, при нагружении затвердевшего цементного камня усилия передаются на гелевую структурную составляющую, и на кристаллический сросток. Затем гелевая составляющая начинает вязко деформироваться, вызывая постоянную разгрузку геля и догружение кристаллического сростка. В связи с этим происходит дальнейшая деформация структуры, которая протекает длительное время, постепенно затухая.

Обширный экспериментальный материал, накопленный в результате исследования ползучести бетона, позволяет оценить влияние различных факторов на процесс длительного деформирования бетона. Основное влияние на ползучесть оказывают размеры образца, содержание цементного теста, водоцементное отношение, влажность среды, возраст бетона в момент нагружения и некоторые другие. Поскольку ползучесть обусловлена (кроме всего прочего) интенсификацией отдачи влаги во внешнюю среду при действии напряжений, а влагообмен со средой облегчается у зон, находящихся вблизи поверхности образца, с уменьшением размеров образца ползучесть возрастает. С увеличением В/Ц при любом содержании цемента ползучесть увеличивается; это косвенно характеризует влияние класса бетона, поскольку содержание цемента и В/Ц определяют прочность бетона. При уменьшении относительной влажности деформации бетона увеличиваются. Чем больше возраст бетона в момент приложения нагрузки, тем деформации ползучести меньше, так как чем старее бетон, тем меньше геля в цементном камне.

Заполнители препятствуют проявлению ползучести цементного камня (ползучесть уменьшается пропорционально объему, занимаемому ими в единице объема бетона). С повышением прочности и модуля упругости каменных заполнителей ползучесть бетона уменьшается.

Ползучесть бетона при отрицательной температуре ниже, чем при нормальной положительной, причем с понижением температуры замораживания ползучесть понижается (хотя наблюдается даже при -100 °С), а предельных значений деформации ползучести достигают быстрее. При небольших напряжениях влияние замораживания на ползучесть заключается, в основном, в увеличении вязкости гелевой структурной составляющей цементного камня и цементации льдом начальных микротрещин. При высоких напряжениях заметную роль играет также смерзание трещин разрыва.

Ползучесть бетона проявляется при сжатии и растяжении, изгибе и кручении, однако наиболее изучена она при сжатии.

Данные опытов говорят о том, что в общем случае для бетона характерна нелинейность длительного деформирования и если, например, при сжатии при относительно низких уровнях нагрузки связь между напряжениями и деформациями ползучести достаточно близка к линейной, то по мере увеличения нагрузки ползучесть приобретает все более ярко выраженный нелинейный характер. Эти же данные свидетельствуют о весьма широком диапазоне изменения ползучести бетона. Так, в реальных условиях даже при относительно невысоких эксплуатационных нагрузках деформации ползучести могут в 2...3 раза превышать упругие, возникающие в момент нагружения образца, а при очень высоких нагрузках — в 6...8 раз и более.

Граница перехода из области так называемой линейной ползучести в область существенно нелинейной при сжатии примерно совпадает с нижней условной границей микротрещинообразования. Линейная ползучесть сопровождается уплотнением бетона и затухает во времени, асимптотически приближаясь к определенному пределу.

При численно равных или близких по абсолютной величине напряжениях разных знаков деформации ползучести при растяжении значительно (в среднем в 1,3... 1,7 раза) больше, чем при сжатии. Это можно объяснить тем, что при прочих равных условиях степень деструктивных изменений в бетоне при длительном растяжении больше, чем при сжатии.

При равных или близких уровнях напряжений разных знаков деформации ползучести при растяжении и сжатии достаточно близки (указанное обстоятельство широко используют при построении различных вариантов теории ползучести бетона).

Линейный характер ползучести при растяжении практически не изменяется вплоть до момента разрушения.

Ползучесть и влажностные деформации бетона находятся в тесной взаимосвязи. Однако в то время как влажностные деформации носят характер объемных, ползучесть развивается практически только в направлении действия усилия, приложенного к бетону.

Если наблюдать за деформациями бетона, твердеющего в обычной воздушной среде, то на основе принятого выше условного деления деформаций на категории их можно представить, как показано на рис. 1.19.

В течение времени образец не нагружен и в нем происходит только усадка. Затем прикладывается сжимающая нагрузка.

Ползучесть бетона и релаксация напряжений оказывают существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой: ползучесть — при оценке трещиностойкости и дефор- мативности конструкций, расчете на устойчивость и определении внутренних усилий в статически неопределимых конструкциях, релаксация — при расчете неразрезных балок на осадку опор, смещение опор в арках и комбинированных конструкциях, расчете арок на вводимые с помощью домкратов усилия, и т. п.

Деформации бетона при действии многократно повторной нагрузки. Многократно повторные нагрузки могут иметь статический и динамический характер. Статическими многократно повторными нагрузками являются такие, возрастание и снижение которых происходит медленно, а силы инерции не оказывают заметного влияния на результаты расчета. К динамическим многократно повторным относят меняющиеся во времени нагрузки, при которых нельзя пренебречь влиянием инерционных сил на напряженно-деформированное состояние элементов конструкции или конструкции в целом. К статическим многократно повторным можно отнести нагрузки от периодически освобождаемых хранилищ, к динамическим — от вибрационных машин.

Многократное повторение циклов нагружения и разгрузки при сжатии бетонного образца приводит к постепенному накоплению неупругих деформаций. После достаточно большого числа циклов нагружения, когда неупругие деформации достигают предельного значения, бетон начинает работать упруго. На диаграмме (рис. 1.21) показано, что с каждым последующим циклом нагружения происходит накопление остаточных деформаций и кривые ab - eh выпрямляются, переходя в прямую линию, соответствующую упругим деформациям. Линии нагружения и разгрузки образуют петлю гистерезиса, площадь которой характеризует энергию, затраченную за один цикл нагружения на преодоление внутреннего трения (диссипация — рассеяние энергии за счет внутреннего трения).

Такой характер деформаций наблюдают лишь при напряжениях, не превышающих предела усталости, когда неупругие деформации представляют собой, по сути, деформации быстронатекающей ползучести. В этом случае диаграмма будет устойчивой при неограниченно большом числе циклов нагружения (практически при нескольких миллионах). Если напряжения превышают предел усталости, т. е. в бетоне проявляются еще и неупруго-мгновенные деформации, то после некоторого числа циклов нагружения неупругие деформации нарастают неограниченно и происходит разрушение образца; при этом выпуклость кривых оь - ЕЬ обращается в противоположную сторону (петля гистерезиса ограничена двумя вогнутыми линиями), а угол наклона их к оси абсцисс последовательно уменьшается.

При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200...600) наблюдается интенсификация свойств длительного деформирования бетона — проявляется виброползучесть (динамическая ползучесть), обусловленная как тиксотропными свойствами гелевой структурной составляющей цементного камня (способностью геля к периодическому псевдоразжижению и загустеванию при механических воздействиях), подвижность которой зависит от частоты и интенсивности динамических воздействий, так и от степени ослабления межкристаллических контактов в цементном камне за счет градиента инерционных сил.

Виброползучесть обладает по сравнению со статической ползучестью ускоренным развитием и большими предельными значениями деформаций, более низким положением условной границы перехода линейной ползучести в нелинейную, увеличением нелинейности во времени и снижением степени обратимости деформаций ползучести. Это связано, по-видимому, с более ранним образованием и, следовательно, более интенсивным развитием микротрещин, а возможно также и с уменьшением вязкости гелевой структурной составляющей.

Усадка, ползучесть бетона

Усадка – свойство бетона уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде. Усадка бетона зависит:

1.количества и вида цемента - чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка

2.количество воды - чем больше отношение вода/цемент, тем больше усадка.

3.крупности заполнителя-при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше

4.присутствие различных гидравлических добавок и ускорителей твердения - они, как правило, увеличивают усадку

Ползучесть – это свойства бетона, характеризующиеся нарастанием неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях. 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.

 

Влияние ползучести на работу ж/б элементов:

”─” в изгибающих элементах ползучесть приводит к увеличению прогибов; в гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов и снижение несущей способности;в преднапряженных конструкциях ползучесть приводит к потерям предварительного напряжения

“+”в статически неопределимых системах ползучесть смягчает концентрацию напряжений; в коротких центрально сжатых элементах ползучесть способствует более полному использованию прочности арматуры.

Влияние усадки на работу ж/б элементов: Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадке способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах ж/б элементов,которые испытывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние усадки уменьшается. В стадии разрушения усадка не влияет на несущую способность статически определяемой ж/б конструкции. Влияние усадки эквивалентно понижению температуры на определенное число градусов.