Деформационные характеристики бетона

Деформативностью называют способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних нагрузок или других факторов. При исследовании бетона деформации подразделяют на два вида:

1) силовые, возникающие под действием внешних нагрузок;

2) температурно-усадочные или собственные, возникающие вследствие химических и физико-химических процессов твердения бетона, изменения его влажностного состояния и температуры.

К первому виду относят деформации при кратковременном нагружении и при длительном загружении (ползучесть); ко второму — деформации усадки и набухания, а также температурные деформации.

Характеристикой упругих свойств материала, подчиняющегося закону Гука, является коэффициент упругости Е, представляющий собой отношение нормального напряжения в материале а к соответствующей этому напряжению относительной деформации

Деформация бетона ев состоит из упругой ео и пластической еп составляющих:

При ступенчатой загрузке бетонного образца деформации, возникшие в момент приложения нагрузки, носят упругий характер ео, а деформации, появившиеся за время выдержки под нагрузкой, носят неупругий, пластический характер еп. При меньшей скорости загружения площадки, определяющие еп, становятся большими, а зависимость «о—е» более пологой.

При загружении образца упругая деформация возвращается к нулю не сразу: часть ее (~10%) становится равной нулю через некоторое время, что связано с пластическими деформациями цементного камня, препятствующими восстановлению ео заполнителя. Такую деформацию называют деформацией упругого последствия еу.п.

Поскольку бетон обладает упругопластическими свойствами, модуль упругости соответствует мгновенному загружению бетона до сравнительно малых значений о, при которых возникают в основном только ео. Этот модуль называют начальным или мгновенным модулем упругости бетона Еб. Графически он выражается тангенсом угла наклона касательной в точке начала координат:

Начальные модули упругости, принятые в СНиП И-21-75, с достаточной точностью могут быть вычислены по формулам:

- для тяжелого бетона

для бетона на пористом заполнителе Eб = 3100mVVRсж.

При этом если в качестве пористого заполнителя применен аглопоритовый гравий или туф, вычисленное значение Eб надо уменьшить на 15%, а если шлаковая пемза — увеличить на 20%. При расчете для бетонов с поризацией до 20% Eб уменьшают на 10%, при поризации более 20% — на 15%.

Динамический модуль упругости Ед, определяемый по частоте собственных колебаний образца или импульсным ультразвуковым методом, более точно характеризует упругие свойства бетона, чем Eб, на который влияют неупругие деформации, поэтому всегда Ед>Еб. Предложен ряд формул, связывающих Eд и Eб, например:

Если бетонный образец оставить в загруженном состоянии, то пластические деформации еп в нем будут возрастать в течение длительного времени, хотя нагрузка на образец не увеличивается. Свойство бетона деформироваться (ползти) во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью. При (0,3—0,6) R зависимость между еп и о считают линейной, если о>(0,3—0,6) R ползучесть относят к нелинейной, при которой структура бетона нарушается.

Для оценки линейной ползучести используют характеристику ползучести фt:

где еп(t) — относительная деформация ползучести к моменту времени ; еo — упругая деформация в момент загружения (t=0).

Безразмерная величина фt связана с применяемой при оценке ползучести мерой ползучести C(t) следующей зависимостью:

Мера ползучести С(t)=eп(t)/o зависит от возраста загружения бетона и связана с полными деформациями бетона под нагрузкой следующим соотношением:

В зависимостях (IV.4) и (IV.5) а длительно действующее напряжение; Eб — модуль упругости в момент загружения.

Коэффициент Пуассона u представляет собой отношение относительных упругих поперечных и продольных деформаций:

Для оценки процесса разрушения бетона применяют коэффициент поперечной деформации:

(здесь Aе обозначает приращение деформаций). Верхняя граница микротрещин характеризуется v=0,5.

Модуль сдвига G — отношение касательного напряжения к относительному сдвигу — определяют по теоретической зависимости:

При твердении на воздухе бетон уменьшается в объеме — происходит усадка бетона, а при твердении в воде увеличивается — происходит набухание бетона. Так как указанные деформации развиваются во всех направлениях, их называют объемными.

Усадочные деформации в процессе формирования структуры бетона связаны с химическими и физико-химическими процессами взаимодействия цемента с водой на начальных стадиях твердения бетона. Для этого периода характерен эффект контракции, определяющий усадку бетона. По данным С.В. Александровского, эта усадка мала по сравнению с влажностной, а определение ее весьма сложно. Контракционная усадка, как правило, не влияет на состояние конструкций в процессе эксплуатации и характерна лишь для весьма раннего возраста бетона.

Рассматриваемая ниже методика определения деформаций усадки учитывает суммарное влияние изменения влажности бетона, карбонизации гидрата окиси кальция и старения геля. При этом два последних процесса обусловливают необратимые деформации усадки.

Свободные относительные деформации усадки и набухания можно вычислить по формулам:

где Wн — влажность бетона, г/г, в начале набухания; Вэ — эффективная влажность бетона, обусловленная адсорбционно связанной водой, удаление которой вызывает усадку бетона; в и n — коэффициенты соответственно линейной усадки и линейного набухания бетона, представляющие собой относительную деформацию бетона (в мм/мм) вследствие изменения его относительной влажности w, г/г, в процессе равномерного высыхания или увлажнения:

Свободные деформации усадки и набухания обычно находятся в пределах: еуд =0,2—4 мм/м и енав=0,05—10 мм/м.

Предельная равномерная усадка еусф при данной относительной влажности воздуха ф равна:

(здесь Wкр — критическая влажность, представляющая собой предельное значение Wэ; Wф — расчетная равновесная влажность бетона в г/г, соответствующая относительной влажности воздуха ф).

С учетом деформаций усадки (при t=const), полная деформация бетона к рассматриваемому моменту времени t составит

При этом в еп(t) включаются все неупругие деформации под действием нагрузки в процессе загружения образца.

Свободные температурные деформации, вызванные изменением температуры, можно вычислить по формуле

где At — изменение температуры, °С; а — коэффициент линейного расширения бетона, который колеблется в пределах (0,7-1,5) 10в-5/°С, составляя в среднем 1*10в-5/°С.

При проведении экспериментальных работ по измерению деформаций усадки и ползучести существенное влияние на результаты испытаний оказывают влажность и температура воздушной среды, в которой находятся образцы (проходит испытание). Поэтому обеспечение стабильности этих параметров (t и ф) или их минимального отклонения от заданных и их контроль являются важным условием получения сопоставимых результатов.