Основы научных иследований. Кр. 1. Деформативные свойства бетона. Усадка и ползучесть
 Скачать 112.41 Kb.
|
|
1. Деформативные свойства бетона. 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 они 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 гелиевой 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 глеевую структурную составляющую, и на кристаллический сросток. Затем глеевая 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 гелиевой 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 гелиевой 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 гелиевой структурной составляющей. 2. Методы предотвращения деформации бетона В современном строительстве применяют минеральные добавки к бетону, которые позволяют деформации и усадку свести к минимуму. Благодаря применению этих добавок в процессе затвердевания осуществляется увеличение линейных размеров кристаллов цемента. Бетону придают высокую водонепроницаемость, прочность, обеспечивая долговечность конструкции. Благодаря применению добавок удается уменьшить показатели растяжения на изгиб, проницаемость, устранить деформации. Конкретный тип и объем добавок определяют индивидуально. 3. 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 гелиевой 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. 4. Методы предотвращения процесса оседания бетона Следует правильно рассчитать количество необходимой смеси с учетом будущей усадки. Неважно, что вы решили делать – фундамент под дом или заливку дорожек, при любом варианте готовая работа должна быть конкретной толщины, формы, обеспечивая тем самым прочность на долгие годы службы. Чтобы точно осуществить заливку, следует вычислить коэффициент усадки бетона. При этом рассчитывайте большее значение коэффициента. При подобной ситуации коэффициенты плотности и формы бетонной смеси должны уравниваться. Иначе лишний бетон будет тяжело удалить, а недостающую часть – трудно компенсировать. Усадка бетона считается естественным процессом, избежать которого невозможно. Единственным вариантом решения данной проблемы является ее предотвращение посредством точного просчета усадки раствора, а также закладки материала с запасом, учитывая объемы деформации. Тогда вы получите необходимую конечную плотность. Самостоятельно, без профессиональной помощи рассчитать процент оседания бетонной смеси практически невозможно. Если строится одноэтажное здание, усадка бетона не несет серьезных проблем. Но при возведении многоуровневых высоток этим фактором пренебрегать нельзя. Ведь чем больше высота здания, тем сильнее проявится погрешность не рассчитанной прежде усадки. Здесь необходимо быть предельно точным в расчетах, делать это нужно до начала стройки, ведь потом возмещать недостающее количество строительной смеси или удалять ее излишки невероятно сложно. Производители бетонов немного облегчили задачу строителям, указав в инструкции к строительным смесям коэффициенты их усаживания. Главное – правильно приготовить раствор, а также учесть погрешности, исходя из опыта других. Также на процесс оседания бетонной смеси влияет процент влажности. Чтобы избежать оседания, коэффициент влаги на поверхности бетона при заливке должен быть более 55, но не выше 70%. Этого можно достичь, при твердении покрыв верх бетонной конструкции водой. 5. Заключение Если не принимать в расчет усадку, то в процессе эксплуатации здания это может привести к серьезным проблемам. Усадка тем больше, чем крупнее объект, увеличивается при отсутствии армирования, введении пластификаторов, выполнении работ в экстремальных условиях, несоблюдении технологии приготовления и использования раствора. Избежать усадки бетона не удастся, но показатель можно существенно уменьшить, нивелировав его влияние на надежность и долговечность здания. Так, если в строительстве жилых зданий использовать бетон высоких марок, выполнять армирование, замес и заливку осуществлять в оптимальных условиях, с соблюдением пропорций состава, смесь обрабатывать вибратором, а влажность поверхности сохранять на оптимальном уровне, есть шанс сделать усадку практически незаметной. Но учитывать коэффициент усадки в проектировании строительстве здания все равно нужно. Список литературы Александровский, С.В. Ползучесть и усадка бетона и железобетонных конструкций. Бабков, В.В.Структурообразование и разрушение цементных бетонов: монография / В.В. Бабков, В.Н. Мохов, С.М. Капитонов, П.Г. Комохов Баженов, Ю.М. Технология бетона: учебник для вузов / Ю.М. Баженов Несветаев, Г.В. Бетоны: учебное пособие для вузов |