Деформативные свойства бетона
Бетон ведет себя как упругое тело (линия 1 на рис. 1.2) только при небольших напряжениях и «мгновенном» (т. е. очень быстром) нагружении. Однако практически при испытании бетона нагрузку обычно прикладывают ступенями (этапами). Если после каждого этапа приращения нагрузки выдерживать бетонный образец еще некоторое время при неизменном напряжении, то диаграмма a — в («напряжение — деформация») будет иметь ступенчатый вид (линия 2 на рис. 1.2). При этом наклонные участки диаграммы соответствуют мгновенным (упругим) деформациям бетонного образца, а горизонтальные участки вызываются характерным свойством бетона — ползучестью. Ползучесть выражается в нарастании деформаций бетона во времени при постоянной нагрузке.
Упругие свойства бетона при сжатии и растяжении характеризуются начальным модулем упругости бетона, соответствующим упругим деформациям при мгновенном нагружении. Модуль упругости может быть интерпретирован как тангенс угла наклона линии в начале координат. Модуль упругопластичности бетона соответствует уже не упругим, а полным деформациям и интерпретируется как тангенс угла наклона секущей к кривой в точке с заданным напряжением.
При увеличении количества ступеней нагрузки или при непрерывном нагружении зависимость превращается в плавную кривую 3 (см. рис. 1.2). Полная деформация бетона, соответствующая этой кривой, складывается из упругой деформации и деформации ползучести. При более высоких напряжениях в бетоне, приближающихся к пределу прочности, усиливается процесс развития трещин в структуре бетона (см. рис. 1.1). За счет этого процесс деформирования становится не полностью упругим даже при мгновенном нагружении; наклонные участки диаграммы искривляются, и появляются деформации, связанные с трещинообразованием в структуре бетона:
Если бетонный образец нагружен до определенной величины напряжений, после чего нагрузка зафиксирована на длительное время, деформация ползучести непрерывно будет нарастать, но с постепенно затухающей скоростью. В итоге деформация ползучести может в 3...4 раза превышать упругую деформацию. Деформация ползучести, в свою очередь, состоит из двух компонент: а) линейной, когда деформации ползучести прямо пропорциональны действующим напряжениям (эта компонента связана с особыми свойствами цементного геля); б) нелинейной, связанной в основном с развитием трещин в структуре бетона (деформации, соответствующие нелинейной компоненте, становятся заметными лишь при относительно высоких напряжениях — более 0,5 Rb).
Так называемое многократно-повторное нагружение бетона при напряжениях, не превышающих предела выносливости (см. выше), приводит к постепенному накапливанию неупругих деформаций (явление виброползучести). Вместе с тем после достаточно большого числа циклов эти неупругие деформации как бы «выбираются» и бетон становится практически упругим. Если же напряжения превышают предел выносливости, то после некоторого числа циклов деформации виброползучести начинают интенсивно расти, что свидетельствует о приближающемся разрушении бетона.
Ползучесть бетона проявляется в условиях длительного действия некоторых фиксированных напряжений при условии, что образец материала может свободно деформироваться. Если же, создав в бетоне определенные напряжения, зафиксировать затем деформацию бетона, то характерное для бетона свойство ползучести выразится в снижении созданных в нем напряжений. Это явление падения (с течением времени) напряжений в материале при фиксированной его деформации называют релаксацией. Как и ползучесть, релаксация развивается непрерывно, но с постепенно затухающей скоростью.
Для бетона характерно также свойство уменьшаться в объеме при твердении в воздушной среде. Это свойство называется усадкой, а противоположное свойство — увеличиваться в объеме при твердении в воде набуханием. Бетоны, изготовленные на некоторых специальных цементах (безусадочных), не имеют усадки. Процесс усадки бетона связан с физико-химическими особенностями процесса гидратации цементного камня. Он проходит наиболее интенсивно в начальный период твердения бетона, затем постепенно замедляется. Неравномерное высыхание бетона вызывает неравномерную усадку (причем поверхностные слои испытывают большую усадку), появление усадочных напряжений и усадочных трещин в поверхностных слоях. Однако даже при обеспечении равномерной по толщине усадки, появляются усадочные напряжения на поверхности зерен заполнителя, препятствующие свободной усадке цементного камня; возникают так называемые контактные трещины, т. е. трещины между цементным камнем и зернами заполнителя. Усадочные напряжения учитываются конструктивными требованиями по армированию железобетонных элементов и системой расчетных коэффициентов.
С целью уменьшения усадочных напряжении применяют меры как технологические (подбор состава, увлажнение поверхности бетона и др.), так и конструктивные (устройство деформационных швов при большой протяженности конструкций).