5. Деформативность бетона

Виды деформаций. В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности, и силовые, развивающиеся главным образом вдоль направления действия сил. Силовым продольным деформациям соответствуют некоторые поперечные деформации, начальный коэффициент поперечной деформации бетонаν=0,2 (коэффициент Пуассона); Бетон представляет собой упругопластический материал. Начиная с малых напряжений, в нем помимо упругих восстанавливающихся деформаций развиваются неупру­гие остаточные или пластические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера прило­жения нагрузки и длительности ее действия подразделя­ют на три вида: при однократном загружении кратковре­менной нагрузкой, при длительном действии нагрузки и при много кратно повторном действии нагрузки.

Объемные деформации.Деформации, вызванные усад­кой бетона, изменяются в довольно широком диапазоне: по данным опытов, для тяжелых бетонов ε_sl≈ 3-10^-4и более, а для бетонов на пористых заполнителях ε_sl≈ 4,5*10^-4. Деформация бетона при набухании в 2—5 раз меньше, чем при усадке.

Деформации бетона, возникающие под влиянием из­менения температуры, зависят от коэффициента линей­ной температурной деформации бетона. При измене­ний температуры среды от -50 до -50⁰С для тяжелого бетона и бетона на пористых: заполнителях с кварцевым песком α_bt=1*10^-5°С^-1. Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей,, влажностного состояния бетона и может изменяться в пределах ±30 %. Так, α_bt=0,7*10^-5°С~1 для бетонов на пористых заполните­лях с пористым песком.

Деформации при однократном загружении кратковре­менной нагрузкой. При однократном загружении бетон­ной призмы, кратковременно приложенной нагрузкой де­формация бетона

ε_b = ε_e+ε_pl (I.5)

т. е. она образуется из ε_е— упругой и ε_pt— неупругой пластической деформаций

(рис, 1.9). Небольшая доля неупругих деформаций в течение некоторого периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %). Эта доля называется деформацией упругого пос­ледействия ε_ер. Если испытываемый образец загружать по этапам и замерять деформации на каждой ступени дважды (сразу после приложения нагрузки и через не­которое время после выдержки под нагрузкой), то на диаграмме σ_b-ε_bполучим ступенчатую линию, изобра­женную на рис 1.10, а. Деформации, измеренные после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжения­ми линейным законом, а деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, неупругие; они увеличи­ваются с ростом напряжений, и на диаграмме σ_b-ε_bимеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой. Так же и при разгрузке, если на каж­дой ступени замерять деформации дважды (после сня­тия нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой), то можно получить ступенчатую линию, которую при достаточно большом числе ступеней раз­грузки можно заменить плавной кривой, но только уже вогнутой (см. ряс. 1.9).

Таким образом, упругие деформации бетона соответ­ствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, в то время как неупругие деформации развиваются во времени и зависят от скорости загружения образца υ, МПа/с.

Рис. 1.9. Общая диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне

Рис. 1.10. Диаграмма σ_b-ε_{b -} при сжатии бетона в зависи­мости от

a- числа этапов загружений; б — скорости загружений

С увеличением скорости загружения при одном и том же напряжении σ_b неупругие деформации умень­шаются. Для различных скоростей загружения σb>σ2> >Vs кривые зависимости σ_b—ε_b изображены на рис. 1.10,6.

При растяжении бетонного образца также возникает деформация εbt=εet+εpl,t (I.6) состоящая из ε_et - упругой и ε_pl,t - пластической частей.

Рис. 1.11. Диаграмма σ_b-ε_b - при длительном загружеиии бетонного образца

Деформации при длительном действии нагрузки.При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблю­дается первые 3—4 мес. и может продолжаться несколь­ко лет. На диаграмме σ_b—ε_b участок 0—1 характеризует деформации, возникающие при загружении, кривизна этого участка зависит от скорости загружения; участок /—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений (рис. 1.11).

Свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций при длительном действии нагрузки, называют ползучестью бетона. Деформации ползучести могут в 3-4 раза превышать упругие деформации. При длительном действии постоянной нагрузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения бетоне остаются постоянными. Если же связи в бето­не (например, стальная арматура) стесняют свободное развитие ползучести, то ползучесть будет стесненной, при которой напряжения в бетоне уже не будут оста­ваться постоянными.

Если бетонному образцу сообщить некоторое началь­ное напряжение σ⁰_b и начальную деформацию ε⁰_b, а за­тем устранить возможность дальнейшего деформирования наложением связей, то с течением времени напряжения в бетоне начинают уменьшаться. Свойство бетона, характеризующееся уменьшением с течением времени напряжений при постоянной начальной деформации. называют релаксацией напряжений.

Опыты с бетонными призмами показывают, что независимо от того, с какой скоростью загружения υ было получено напряжение σ_b1 конечные деформации ползу­чести, соответствующие этому напряжению, будут оди­наковыми (рис. 1.12, а).

Рис. 1.12. Деформации ползучести бетона в зависимости от

а - скорости начального загружения; б - времени выдержки под нагрузкой tи напряжений σ_b

С ростом напряжений ползу­честь бетона увеличивается; зависимость деформации - время при напряжениях σ₁ < σ₂< σ₂ показана на рис. 1.12, б. Загруженный в раннем возрасте бетон 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 количества цемента на еди­ницу объема бетонной смеси ползучесть возрастает; с повышением прочности зерен заполнителей ползучесть уменьшается; с повышением прочности бетона, его класса ползучесть уменьшается

Рис. 1.13. Диа­грамма σ_b—ε_b при многократном по­вторном загружении об­разца

. Ползучесть разделяют на линейную, при которой за­висимость между напряжениями и деформациями при­близительно линейная, и нелинейную. При напряжениях, превышающих границу образования структурных микро­трещин R⁰_crc , начинается ускоренное развитие деформа­ций, или нелинейная ползучесть. Такое разделение пол­зучести условно, так как в некоторых опытах наблюда­ется нелинейная зависимость σ_b-ε_b даже при относи­тельно малых напряжениях. Отметим здесь существенно важное значение учета нелинейной ползучести для прак­тических расчетов предварительно напряженных изгиба­емых, внецентренно сжатых и некоторых других элемен­тов.

Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет - со­бой сумму деформаций: упругой ε_е, ползучести ε_pl и усадки ε_sl. Однако в то время как усадка носит харак­тер объемной деформации, ползучесть развивается глав­ным образом в направлении действия усилия.

Деформации бетона при многократно повторном дей­ствии нагрузки.Многократное повторение циклов загружения и разгрузки бетонной призмы приводит к посте­пенному накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого числа циклов эти неупругие де­формации, соответствующие данному уровню напряже­ний, постепенно выбираются, ползучесть достигает свое­го предельного значения, бетон начинает работать упру­го. На рис. 1.13 показано, как с каждым последующим циклом неупругие деформации накапливаются, а кривая σ_b-ε_b постепенно выпрямляясь, становится прямой, ха­рактеризующей упругую работу. Такой характер дефор­мирования наблюдается лишь при напряжениях, не превышающих предел выносливости σb≤R_r.

При боль­ших напряжениях после некоторого числа циклов не­упругие деформации начинают неограниченно расти, что приводит к разрушению образца, при этом кривизна линии σ_b-ε_b меняет знак, а угол наклона к оси абсцисс последовательно уменьшается.

При вибрационных нагрузках с большим числом по­вторений в минуту (200—600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползуче­стью, или динамической ползучестью.

Предельные деформациибетона перед разрушением - предельная сжимаемость ε_ubи предельная растяжимость ε_ubt— зависят от прочности бетона, его класса, состава, длительности приложения нагрузки. С увеличением клас­са бетона предельные деформации уменьшаются, но с ростом длительности приложения нагрузки они увеличи­ваются. В опытах при осевом сжатии призм наблюдается предельная сжимаемость бетона ε_ub= (0,8...3) 10^-3, в среднем ее принимают равной: ε_ubt= 2*10^-3. В сжатой зоне изгибаемых элементов наблюдается большая, чем у сжатых призм, предельная сжимаемость, зависящая от формы поперечного сечения и относительной высоты сжатой зоны,

ε_ub= (2,7...4,5) 10^-3; при уменьшении ши­рины поперечного сечения книзу и в тавровых сечениях ε_ubуменьшается, а при уменьшении относительной вы­соты сжатой зоны ε_ubувеличивается. Она зависит также от насыщения продольной арматурой.

Сжимаемость бетона значительно возрастает, если при его загружении происходит пропорциональное воз­растание деформаций (см. рис. 1.9); в этом случае на диаграмме напряжения - деформации появляется ни­сходящий участок. Учет работы бетона на нисходящем участке диаграммы имеет существенно важное значение для расчета ряда конструкций.

Предельная растяжимость бетона в 10—20 раз мень­ше предельной сжимаемости, в среднем ее принимают равной: ε_ubt=1,5-10^-4; бетоны на пористых заполните­лях имеют несколько большую предельную растяжи­мость. Предельная растяжимость бетона существенно влияет на сопротивление образованию трещин в растя­нутых зонах железобетонных конструкций.