Деформативность бетона. Виды деформаций
Виды деформаций. Под деформативностью бетона понимается изменение его формы и размеров под влиянием различных воздействий (в том числе в результате взаимодействия бетона с внешней средой).
Бетон является упруго-пластическим материалом, в котором, начиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций (ee), появляются и неупругие остаточные или пластические (epl), т.е. полная деформация (eb) без учёта усадки равна:
(1.12)
В бетоне различают деформации двух основных видов: объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки или изменения температуры, и силовые, развивающиеся главным образом в направлении действия сил. Силовым продольным деформациям также соответствуют некоторые поперечные деформации бетона; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v равен 0,2 (коэффициент Пуассона). Причём v остаётся практически постоянным вплоть до напряжений . При этом относительная продольная деформация будет , апоперечная деформация .
Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности её действия подразделяются на следующие три вида:
- при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой;
- при длительном действии нагрузки;
- при многократном повторяющемся действии нагрузки.
Наибольший практический интерес представляют продольные деформации бетона при осевом сжатии. Для изучения деформативности бетона при сжатии используют бетонные призмы с h/a = 4, чтобы исключить влияние на получаемые результаты сил трения, возникающих между опорными гранями образца и плитами пресса. На боковые грани призм в средней их части по высоте устанавливают приборы для замера деформаций (рис. 12, а) или наклеивают электротензодатчики.
Нагрузка к призме прикладывается постепенно по этапам или ступеням (ступень обычно составляет 1/10...1/20 от ожидаемой разрушающей нагрузки). Если деформации на каждой ступени приложения нагрузки замерять дважды: первый раз сразу после приложения нагрузки и второй раз через некоторое время после выдержки под нагрузкой (обычно около 5 минут), то на диаграмме получим ступенчатую линию, изображенную на рис. 12, б. Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, неупругие и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой (рис. 12, б).
Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Длительность загружения обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 13.
Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня напряжений и класса бетона, т. е. .
В связи с этим целесообразно выделить исходные (эталонные) диаграммы, полученные на стандартных призмах, испытываемых скоростью роста деформаций 2%, а затем уже переходить к корректировке (трансформированию) диаграмм. Такая скорость изменения деформаций позволяет достигать вершины диаграммы примерно за 1 час.
Если по мере падения сопротивления бетона удаётся в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы. Знать как работает бетон на этом участке важно для ряда конструкций и видов нагружения.
Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна , т.е. она состоит из упругой части, равной и неупругой , которая после снятия нагрузки практически не исчезает. Точнее небольшая доля неупругих деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки исчезает. Эта часть пластической деформации называется деформацией упругого последействия εер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации εе1,характеризующая обратимое сплющивание пустот цементного камня. Таким образом, после разгрузки бетона окончательно остается остаточная деформация, возникающая из-за необратимого сплющивания пустот цементного камня и излома их стенок εрl1 (рис. 13). R2 – напряжение в момент, предшествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная величина).
Рис. 12. К определению продольных деформаций бетона при сжатии: а – опытный образец (призма) с наклеенными на боковых поверхностях электротензодатчиками; б – диаграмма при приложении нагрузки ступенями; 1 – прямая упругих деформаций, 2 – кривая полных деформаций
При невысоких напряжениях ( ) превалируют упругие деформации ( ), а при бетон можно рассматривать как упругий материал. При осевом растяжении диаграмма имеет тот же характер что и при сжатии.
Необходимо обратить внимание на предельные деформации, при которых бетон разрушается (точнее начинает разрушаться). Независимо от режима нагружения за предельное значение деформации бетона принимают величину, соответствующую максимальному напряжению. Считают приближенно, что средние значения предельных деформаций тяжёлого бетона любого класса составляют при кратковременном действии нагрузки:
- при сжатии еиЬ = 0, 002 (2 мм на 1 м);
- при растяжении еиbt = 0,00015 (0,15 мм на 1 м).
Знание предельных деформаций бетона необходимо, так как от их величин зависит диапазон совместной работы арматуры с бетоном и эффективность её использования.
Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки (t > 60 минут), даже постоянной, неупругие деформации с течением времени значительно увеличиваются. В реальных же условиях в процессе строительства зданий и сооружений идёт постепенное ступенчатое нагружение железобетонных элементов.
Нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки называется ползучестью бетона. Впервые ползучесть бетона была обнаружена И. Самовичем в 1885 г. Деформации ползучести состоят из двух частей: пластической, протекающей почти одновременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. При длительном загружении бетона постоянной нагрузкой, которая меньше разрушающей, диаграмма сжатия выглядит так, как показано на рис. 14, а. Участок 0 - 1 этой диаграммы соответствует деформации, возникающей при загружении; кривизна этого участка зависит, главным образом, от скорости загружения. Участок 1 - 2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений. Наибольшая интенсивность нарастания деформаций ползучести наблюдается в первые 3...4 месяца после загружения бетона (рис. 14, б). Они достигают к концу этого периода 40...45% от eupl,через год они составляют приблизительно 65...75% от eupl,и через два года 80...90%. Затем нарастание этих деформаций по мере приближения к предельной для данных условий величине eupl постепенно затухает. Замечено, что нарастание деформаций ползучести прекращается одновременно с окончанием нарастания прочности бетона. Опыты показывают, что независимо от того, с какой скоростью достигнуто напряжение σь, конечные неупругие деформации, соответствующие этому напряжению, всегда будут одинаковы (рис. 14, в).
Рис. 14. Неупругие деформации бетона в зависимости: а, б – от длительности действия нагрузки; в – от скорости начального загружения
Деформации ползучести развиваются главным образом в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3...4 раза, т. е. εирl /εе - 3...4. Это обстоятельство заставляет с ними считаться при проектировании железобетонных конструкций.
Одновременно с ползучестью развиваются и деформации усадки, т. е.:
(1.13)
Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и постепенным уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит постепенное перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зёрна заполнителей. Развитию деформаций ползучести способствуют также капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается.
Ползучесть бетона условно разделяют на линейную и нелинейную. Считают, что линейная ползучесть имеет место при ( – напряжение, соответствующее нижней границе микроразрушений). В этом случае деформацию ползучести определяют по формуле:
(1.14)
где с – мера ползучести бетона при сжатии .
В практических расчётах используют обычно предельную меру ползучести бетона спр, отнесенную ко времени t → ∞ (практически t = 3...4 годам). Её значения при для различных сроков загружения бетона приведены в СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы» в табл. 3.
Обозначим через v= εе/εь коэффициент упругопластичности бетона, а через λ = εpl /εь – коэффициент пластичности бетона, тогда отношение
(1.15)
будет называться характеристикой ползучести бетона φ, которая изменяется от 0 до 4.
Зависимость между с и φ можно получить из (1.14) и (1.15), учитывая, что , тогда φ = сЕb; φ и с вводятся в расчёт для количественной оценки деформаций линейной ползучести при сжатии.
Величина деформации ползучести зависит от многих факторов.
Загруженный в раннем возрасте бетон (при прочих равных условиях) 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 W/C и расхода цемента на единицу объёма бетонной смеси ползучесть возрастает; с повышением прочности зёрен заполнителя ползучесть уменьшается; с повышением класса бетона ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны. Ползучесть зависит от вида цемента: наибольшей ползучестью обладают бетоны, приготовленные на шлакопортландцементе или портландцементе. Ползучесть тем меньше (при прочих равных условиях), чем больше размеры поперечного сечения бетонного элемента. Максимальные деформации ползучести (при прочих равных условиях) достигаются при водонасыщении бетона в пределах 20...35%. Пропаривание бетона снижает его ползучесть на 10...20%, а автоклавная обработка – на 50...80%. Ползучесть бетона оказывает существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой, что учитывают, например, при расчете внецентренно сжатых элементов, при оценке деформативности конструкций и при определении внутренних усилий в статически неопределимых конструкциях.
Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. Многократное повторение циклов нагрузки и разгрузки бетонного образца приводит к постепенному накоплению неупругих деформаций. Линии нагрузки и разгрузки образуют петлю гистерезиса, площадь которой характеризует энергию, затраченную за один цикл на преодоление внутреннего трения.
При напряжениях, не превышающих предел выносливости , после достаточно большого числа циклов неупругие деформации бетона, соответствующие данному уровню напряжений, постепенно выбираются и бетон начинает работать упруго (рис. 15).
При высоких напряжениях после некоторого числа циклов кривая достигает прямолинейного вида, а затем начинает искривляться снова, но уже в обратном направлении, т.е. вогнутостью в сторону оси напряжений. Искривление начинается с верхней части прямой (т.е. вблизи наивысшего напряжения) и появляется точка перегиба. При продолжающемся повторении приложении нагрузки точка перегиба опускается всё ниже по кривой, пока не исчезнет. Тогда вся кривая оказывается вогнутой в сторону оси напряжений. При этом остаточные деформации после каждой разгрузки неограниченно растут, а кривая всё больше наклоняется к оси абсцисс. Петля гистерезиса всё больше увеличивается и, наконец, образец хрупко разрушается.
Физические явления, происходящие в бетоне при повторных нагружениях, близки к явлениям, происходящим при действии очень длительных нагрузок, т.е. длительное нагружение можно рассматривать как многократно повторное с .
При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200...600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползучестью или динамической ползучестью бетона.
Дата добавления: 2021-09-07; просмотров: 1426;