Исследование внутренних напряжений в бетоне при замораживании
При объяснении причин снижения прочности бетона при замораживании все существующие теории исходят из факта возникновения внутренних напряжений при переходе поды из жидкого состояния в твердое. Однако в литературе нет данных о величинах внутренних напряжении, возникающих в реальных конструкциях из бетона. Известно только, что теоретически в замкнутых порах при полном насыщении водой, внутреннее давление может достигать 2500 дан/см2 (1 дан/1 кгс).
В Челябинском политехническом институте проведены исследования по разработке метода измерений внутренних напряжений в бетоне при его замораживании. Для измерения внутренних напряжении применены маганцоупругие датчики.
Они готовились из никель-цинковых н марганцево-цинковых ферритовых колец с намоткой, выполненной из теплостойкого провода марки ПЭВТЛ н наружной изоляцией нитролаком. Для исключения влияния усадки и ползучести отношение диаметра датчика к его толщине принято равным 15. Чувствительность датчиков около 0,2 дан/см2.
Эти датчики устойчиво работают в области температур от +100 до —40° С. При проведении длительных измерений замечено смещение начального отсчета показаний датчиков со временем (дрейф нуля), поэтому в схему включен дополнительный датчик, по которому вносились соответствующие поправки.
Внутреннее напряженное состояние исследовалось в лабораторных условиях на образцах, изготовленных в открытой форме.
В морозильной камере при постоянной температуре, равной —10° С, внутренние напряжения, возникающие в мелкозернистых бетонах при замораживании образцов в формах с ребром 10, 15, 20 т.н.
В опытах использован бетон состава; шлакопортландцемепт марки 300—680 кг/м3, песок Федоровского карье- pa — 1200 кг/м3. Вначале проведены эксперименты для выяснения возможности измерения внутренних напряжений в теле бетона при его замораживании, определения величины этих напряжений н характера их распределения по образцу, а кроме того — для получения некоторого представления о влиянии таких факторов, как размеры образна и количество воды в бетоне на величину напряжений, возникающих в бетоне при замораживании.
Возникающие в центре образца внутренние напряжения зависят от его размеров, а именно с их увеличением напряжения в центре возрастают, достигая для куба с ребром 20 см величины 21 дан/см2 против 4 дан/см2 для куба С ребром 10 см.
В соответствия с существующими внутренние напряжения должны зависеть от водоцементного отношения. Действительно, исследования показали, что напряжения, возникающие в центре образца 20 X 20X20 см, увеличиваются с ростом И/Ц н составляют 7,1; 10,2 и 21 дан/см2 для В/ll соответственно 0,3; 0,4 и 0,5. Замораживание водопроводной воды в форме с ребром 10 см показало наличие в центре внутреннего напряжения в 25 дан/см2. Следовательно, напряжения, возникающие при замораживании воды, превосходят в значительной степени напряжения п бетонных образцах такого же размера.
На рис. 1 приведен график напряжений, возникающих в различных точках образца с ребром 20 см (бетон е В/Ц — 0,5). Внутренние напряжения возрастают от края образца к центру (у стенки формы они равны 1 дан/см-). Напряжения в любой точке возникают лишь в момент замерзания бетона и там где происходит резкое изменение структуры воды при переходе ее из жидкого состояния в твердое.
Во второй серии экспериментов изучали влияние времени выдерживания бетона перед замораживанием на внутренние напряжения. Состав прежний. В/Д = 0,4, формы с ребром 15 см. Рис. 2 показывает, что максимальные внутренние напряжения возникают при замораживании бетона не сразу после укладки его в форму, а спустя некоторое время. Этот интересный результат свидетельствует о том, что напряжения увеличиваются по мере структурообразования бетона с 9,5 до 16,2 дан/см2 п только после некоторого упрочнения структуры бетона они снижаются до 6 дан/см2.
Исследование внутренних напряжений и температурных полей в производственных условиях проводилось на фундаментах под оборудование и под колонны на объектах г. Челябинска в январе—(феврале 1969 г. Приведем результаты двух экспериментов, выбранных для иллюстрации наиболее разнохарактерных режимов прогрева бетона: случай недопустимо высоких перепадов
Проведенные исследования внутреннего напряженного состояния как в производственных, так ив лабораторных условиях подтверждают обоснованность требований об обязательности набора критической прочности бетоном перед его замораживанием, так как экспериментально установлено, что при замораживании ранее суточного возраста возникающие внутренние напряжения превосходят по величине прочность структуры. В фундаментах здания в условиях эксперимента при замораживании после прогрева внутренние напряжения меньше, но тем не менее составляют А—9 дан/см. Значит, для того чтобы бетон пс разрушался при замораживании, он должен иметь прочность на растяжение не меньшую, чем величина фактических внутренних напряжении.
Ориентировочно можно считать, что при замораживании бетона после его прогрева внутренние напряжения незначительно отличаются от величии А— 9 дан/см2, а значит, соответствуют требованиям к критической прочности на сжатие в пределах 50—120 кг/см2.
Выводы
Разработаны датчик и методика измерения внутренних напряжении в бетоне при отрицательном температуре.
Экспериментально определены величины внутренних напряжении в бетоне в процессе его замораживания в зависимости от размера образцов, водоцементного отношения и времени выдерживания перед замораживанием. Они находятся в пределах 4—22 дан/см2.