Статті

Деформативність бетону

Оновлено: 11 Листопада 2016 258

Бетон – пружно-в’язко-пластичний матеріал, який деформується під навантаженнями які діють ззовні (силові деформації), під впливом усадки, при зміні температури й вологості середовища.

Силові деформації виникають при короткочасному або тривалому навантаженні і при багаторазовому повторюванню навантаженнь.

При короткочасному навантаженні деформації бетону εб складаються з двох частин: пружної εп, яка зникає після видалення навантаження, і пластичної εп, – остаточна, яка не зникає після видалення навантаження. Причому останні починають розвиватися при малих напругах одночасно з пружними деформаціями.

мал. 1. Деформації бетону при одноразовому завантаженні короткочасним навантаженням

мал. 1. Деформації бетону при одноразовому завантаженні короткочасним навантаженням

Залежність деформацій бетону εб від напруг стиснення σ при короткочасній дії навантаження показані на діаграмі (мал. 1). Пружні деформації пов’язані з напруженнями лінійною залежністю (пряма 0-1). Пластичні деформації εп розвиваються із зростанням напружень в часі по плавній кривій 0-2. Форма кривої залежить від часу t, протягом якого виконується завантаження, тобто від швидкості завантаження: зі збільшенням швидкості завантаження пластичні деформації зменшуються, з уповільненням – збільшуються.

Так, при завантаженні зразка в проміжок часу t’ < t крива пластичних деформацій при тих же напругах займе більш круте положення 0-3 (на мал. 1 – пунктир), і величина εп зменшиться до ε’п; при миттєвому завантаженні зразка крива 0-2 суміститься з прямою 0-1, тобто зразок не отримає пластичних деформацій (εп = 0) при подовженні часу завантаження (t″ > t) крива 0-2 прийме пологішу форму 0-4 і εп збільшиться.

Якщо навантаження, що викликає у зразку напруги σ і пластичні деформації εп, розділити на n рівних частин (на мал. 1 n = 4) і кожну з них прикласти миттєво через проміжок часу 1/4t (t – час дії навантаження), залежність σ – εб прийме ступінчасту форму 0-5, де похилі відрізки представляють пружні деформації від кожної частки навантаження (вони паралельні прямій 0-1), а горизонтальні відрізки – пластичні деформації. Якщо число часток навантаження велике, а проміжки часу між їх додатком малі, ступінчаста залежність 0-5 перетворюється на плавну криву 0-2.

мал. 2. Деформації бетону при тривалій дії навантаження

мал. 2. Деформації бетону при тривалій дії навантаження

При тривалій дії навантаження деформації бетону в період завантаження протікають (рис. 2) так само, як і при короткочасній дії навантаження, – по кривій 0-2, форма якої, як було зазначено, залежить від швидкості завантажень. Якщо навантажений до напруження σ зразок залишити під навантаженням протягом тривалого часу, пластичні деформації будуть розвиватися далі по прямій 2-3 без додавання навантаження в часі. Як показали досліди, наростання пластичних деформацій триває кілька років (1-3 роки) залежно від температури і вологості середовища, в якій відбувається твердіння бетону, і поступово припиняється. Таке наростання пластичних деформацій по прямій 2-3 називається деформацією повзучості бетону.

При визначенні деформацій повзучості слід враховувати вплив повторних завантажень. Бетон, що знаходився під навантаженням тривалий час, накопичує певні деформації повзучості при повторному навантаженні зусиллям, що не перевищує зусилля першого завантаження, елемент буде відчувати лише пружні деформації.

З повзучістю бетону пов’язана, релаксація напруг – зменшення напружень в елементі без зміни деформацій. Так, якщо елемент піддати попередньому подовжньому стиску, силою N до напруги σ і укорочення ε, а потім зусилля стиснення N замінити нерухомим упором і цим призупинити подальше нарощування деформацій, напруги в бетоні σ і зусилля N почнуть поступово зменшуватися до напруг σ’ < σ зусилля в упорі N’ < N.

мал. 3. Криві деформації бетону при багаторазово повторюваному навантаженні

мал. 3. Криві деформації бетону при багаторазово повторюваному навантаженні

При багаторазовому завантаженні та розвантаженні криві деформацій стиснення бетону залежать в основному від величини напруги (мал. 3). Після великого числа циклів завантаження при напруженнях σ1, що не перевищують межі витривалості бетону на стиск Rв (40-50% межі міцності σ), криві деформації σ – ε із збільшенням числа циклів поступово вирівнюються і стають прямолінійними, тобто бетон як би набуває властивості пружного тіла. При таких напруженнях число циклів завантаження може бути практично необмеженим без шкоди для міцності елемента.

Якщо ж напруження σ2 > Rв, то криві деформацій бетону σ – ε згинаються у зворотний бік. Це свідчить про появу в бетоні мікротріщин і про початок його руйнування.

Граничні деформації бетону при стисканні (стисливість) і при розтягуванні, (розтяжність) до руйнування залежать в основному від тих же факторів, що і повзучість бетону. Середня гранична стисливість бетону прийнята рівною 0,002. Середня гранична розтяжність – у 10-20 разів менше та становить 0,0001-0,0002.

Температурні та усадочні деформації. При підвищенні температури бетон збільшується в об’ємі, при зниженні – зменшується. На величину зміни обсягу в основному впливає від заповнювачів і склад бетону. Середній коефіцієнт лінійного розширення бетону (у межах від 0 до 100°) приймають рівним 0,00001 град-1. При твердінні на повітрі бетон зменшується в об’ємі, а при твердінні у воді збільшується в обсязі – набухає. Усадкові деформації відбуваються головним чином в результаті зменшення обсягу цементного каменю (гелю) при твердінні. Тому із збільшенням кількості цементу на одиницю об’єму бетону В/Ц усадка збільшується, а зі збільшенням міцності і зменшенням пористості заповнювача – зменшується.

Усадкові деформації протікають більш інтенсивно в перший час твердіння, а потім поступово сповільнюються і припиняються. Усадка відбувається нерівномірно також і в об’ємі. Вона починається з поверхні елементу і в міру витрати води на твердіння бетону і випаровування через пори поширюється в глиб елемента. Внаслідок цього зовнішні, більш висохлі шари бетону, отримують велику усадку, а внутрішні, більш вологі, – меншу. Тому при твердінні в бетоні виникають початкові усадочні напруги, при яких зовнішні шари відчувають розтягнення і в них можливо поява тріщин, а внутрішні, що перешкоджають усадці зовнішніх шарів, позначаються стислими.

У попередньо напружених залізобетонних конструкціях усадка бетону призводить до зменшення (втрати) попередніх напружень.

табл. 1. Найбільші відстані між температуро-усадочними швами в залізобетонних конструкціях, що допускаються без розрахунку, м
Конструкції Усередині опалювальних будівель або в землі У відкритих спорудах або в неопалюваних будівлях
Залізобетонні конструкції (з ненапруженою арматурою або попередньо напружені III категорії тріщиностійкості):
а) збірні каркасні, в тому числі змішані з металевими або дерев’яними покриттями 60 40
б) збірні суцільні 50 30
в) монолітні і збірно-монолітні каркасні з важкого бетону 50 30
г) те ж, з легкого бетону 40 25
д) монолітні і збірно-монолітні суцільні з важкого бетону 40 25
е) те ж, з легкого бетону 30 20

Щоб уникнути появи тріщин від усадки бетону і температурних коливань, залізобетонну конструкцію великої протяжності розрізають температурно-усадочними швами на частини, довжина яких не перевищує величин, наведених у табл. 1.

мал. 4. Епюра деформацій бетону при стисненні

мал. 4. Епюра деформацій бетону при стисненні

Усадку можна значно зменшити, якщо в період твердіння бетону тримати елемент у вологому стані. Є розширюючі або безусадочні цементи. Бетони, приготовані на цих цементах, при твердінні не дають усадки.

Модуль деформації бетону. Модуль деформації бетону є величиною змінною як при стисненні, так і при розтягуванні (мал. 4). Внаслідок цього між напруженнями та деформаціями не існує лінійної залежності. Деформації бетону в результаті розвитку в ньому при тривалій дії навантаження пластичних деформацій ростуть швидше, ніж напруження, і залежність між ними представляється у вигляді кривої. Початковий модуль пружності бетону наведено в табл. 2.

табл. 2. Величини початкових модулів пружності бетону кг/см2
Проектом марки бетону по міцності на стиск 100 150 200 300 400 500 600
бетон звичайний 190000 230000 265000 315000 350000 370000 380000
Бетон на дрібному заповнювачі з витратою цементу 500 кг/м3 і більше 140000 170000 200000 200000 255000 285000 300000

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *