Усадка бетона и начальные напряжения

 

Бетон обладает свойством уменьшаться в объёме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объёме при твердении в воде или сильно влажной среде (набухание бетона).

Усадка бетона происходит в результате кристаллизации цементного кам­ня и интенсивного испарения воды с поверхностных слоев бетона. Она особенно интенсивно протекает в первые две недели тверде­ния бетона. Через год её можно считать практически закончившей­ся.

Как показывают опыты, величина усадки бетона зависит от це­лого ряда причин:

- количества и вида цемента (его минералогического состава) – чем больше расход цемента на единицу объёма бетона, тем (при прочих равных условиях) больше усадка; при этом бетоны, при­готовленные на высокоактивных и глинозёмистых цементах, да­ют большую усадку. Наименьшей усадкой обладают бетоны, при­готовленные на портландцементе;

- количества воды – чем больше W/C, тем больше усадка;

- крупности заполнителей и их вида – при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше. Чем выше способность запол­нителей сопротивляться деформированию, т.е. чем выше их мо­дуль упругости, тем усадка меньше. При разной крупности зёрен заполнителей и меньшем объёме пустот меньше и усадка;

- от влажности окружающей среды – чем ниже влажность, тем больше усадка;

- от наличия и состава различных гидравлических добавок и ускорителей твердения – они (на­пример, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку;

- влияние пропаривания бетона на процесс усадки изучено пока недостаточно; однако имеются данные о том, что после пропари­вания усадка уменьшается примерно в 1,5 раза;

- наличия заполнителей с глинистыми и пылевидными за­грязнениями – при их использовании усадочные деформации бетона могут увеличиться в несколько раз.

Средняя величина годичной усадки тяжёлого бетона средней прочности, приготовленного на портландцементе, при естественном твердении составляет e_sl = 3·10^-4 относительных единиц. Абсолют­ная величина деформации набухания примерно в 2...5 раз меньше усадки.

Деформацию усадки бетона можно представить как сумму де­формаций двух видов – собственно усадки и влажностной усадки.

Собственно усадка происходит в результате уменьшения истин­ного объёма системы «цемент – вода» при гидратации. Она может развиваться при полной изоляции бетона от внешней среды и все­гда ведёт к необратимому уменьшению первоначального объёма.

Влажностная усадка связана с уменьшением влагосодержания бетона, т.е. с испарением свободной воды в цементном камне и обу­словлена капиллярными явлениями (натяжением менисков в порах цементного камня); она частично обратима: при твердении на возду­хе происходит уменьшение объёма (усадка), а при достаточно боль­шом притоке влаги – увеличение объёма (набухание).

Деформации, происходящие вследствие влажностной усадки бе­тона, по величине в 10...20 раз превышают деформации собствен­но усадки. Поэтому изменение влагосодержания бетона – основная причина усадочных деформаций.

Усадка повышает сцепление арматуры с бетоном, вызывая её об­жатие, что является положительным фактором.

В реальных условиях усадка бетона происходит неравномерно: развитие усадки начинается с поверхности бетона и постепенно, по мере его высыхания, распространяется вглубь. Уменьшение объёма цементного камня встречает сопротивление со стороны инертных со­ставляющих бетона, которые стремятся сохранить свой объём посто­янным. Возникающие при этом внутренние усилия могут служить причиной микроразрушений на границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя и даже в самом цементно-песчаном камне. Образующиеся при этом микро- и макротрещины отрицательно вли­яют на физико-механические свойства бетона. Особенно существен­но сказывается влияние усадки на напряженно-деформированное состояние в массивных конструкциях (плотины и т.п. конструкции).

Уменьшения начальных усадочных напряжений в бетоне и тем самым предотвращения образования усадочных трещин можно до­биться технологическими мерами – правильным подбором состава бетона (за счёт уменьшения объёма пор), увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, увлажнением, особенно в первые дни, поверхности бетона при естественном твердении и др., а также конструктивными мерами – например, устройством уса­дочных швов в конструкциях большой протяженности, установкой противоусадочных сеток.

Бетоны, приготовленные на специальных цементах (расширяю­щемся или безусадочном) усадки не дают. Особо прочные бетоны – класса В100 и выше также практически не дают усадки.

 

Прочность бетона

Прочность бетона определяется его сопротивлением различным си­ловым воздействиям – сжатию, растяжению, изгибу, срезу. Один и тот же бетон имеет разное временное сопротивление при различных силовых воздействиях. Исследования показали, что теории прочно­сти, предложенные для других материалов, к бетону не применимы. Поэтому количественная оценка прочности бетона в настоящее вре­мя основывается на осреднённых опытных данных, которые прини­маются в качестве исходных при проектировании любых бетонных и железобетонных конструкций.

Отсутствие закономерности в расположении отдельных частиц, составляющих бетон, приводит к тому, что при испытании образ­цов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают различные показатели временного сопротивления – разброс проч­ности. Кроме того, необходимо помнить, что механические свойства цементного камня и заполнителей существенно отличаются друг от друга; к тому же структура бетона изобилует дефектами, которыми, помимо пор, являются пустоты около зёрен заполнителя, возника­ющие при твердении бетона.

Прочность бетона на осевое сжатие считается основной его характеристикой, так как наиболее ценным качеством бетона явля­ется его высокая прочность на сжатие. В лабораторных усло­виях она может определяться на образцах в форме кубов, призм или цилиндров. У нас в стране для оценки прочности бетона при сжа­тии используют преимущественно кубы.

Так как бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал, то для получения достоверных сведений о его прочности в соответствии с действующими стандартами испытыва­ют партию образцов и определяют (средний предел прочности на осевое сжатие бетонных кубов с ребром 150 мм) и (средний предел прочности на осевое сжатие эталонных бетонных образцов призм).

Кубиковая прочность. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в попе­речном направлении. Наклон трещин обусловлен влиянием сил тре­ния, которые развиваются на контактных поверхностях между по­душками пресса и опорными гранями куба (рис. 7, а). Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным дефор­мациям бетона вблизи опорных поверхностей и тем самым повыша­ют его прочность на сжатие (создаётся эффект обоймы). Удержи­вающее влияние сил трения по мере удаления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает фор­му четырех усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба удаётся устранить или значитель­но уменьшить (с помощью смазки контактных поверхностей, на­пример, парафином или картонных прокладок) влияние сил опор­ного трения, то характер его разрушения и прочность изменяют­ся (рис. 7, б).

 

 

Рис. 7. Характер разрушения бетонных кубов:

а – при наличии трения по опорным плоскостям; б – при отсутствии трения; 1 – силы трения; 2 – трещины; 3 – смазка

 

В этом случае поперечные деформации проявляют­ся свободно и трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление бетона сжатию существенно уменьшается. Согласно стандарту кубы испытывают без смазки контактных поверхностей и при отсутствии прокладок.

Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размеров куба. За стандартные (эталонные) ла­бораторные образцы принимают кубы с ребром 150 мм. При использовании кубов иных размеров результаты их испытаний с помощью поправочных коэффициентов приводят к результатам испытаний эта­лонных кубов.

Призменная прочность. Реальные железобетонные конструкции по своей форме и размерам существенно отличаются от лаборатор­ных кубов. В них чаще всего один размер превышает два других (например, пролёт – ширину и высоту изгибаемого элемента; высо­та сжатого элемента – размеры его поперечного сечения).

В связи с тем, что при испытаниях бетона при переходе от об­разца в форме куба к образцу в форме призмы (при одинаковой площади их сечения) временное сопротивление сжатию при увели­чении h уменьшается (рис. 8), кубиковая прочность не может быть непосредственно использована в расчётах прочности элементов кон­струкций, а служит только для контроля качества бетона в производственных условиях.

Рис. 8. График зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров испытываемого образца

Уменьшение временного сопротивления бетона сжатию при пе­реходе от образцов в форме куба к образцам в форме призмы объясняется тем, что при увеличении отношения h/a постепенно ослабевает влияние сил трения, возникающих между торцами образца и плитами пресса, на напряжённое состояние образца в его средней по высоте части, а для призм с h/a ≥ 4 это влияние практически полностью исключено.

Принято определять призменную прочность бетона –основную и наиболее стабильную характеристику прочности бетона на сжа­тие, используемую в расчётах на прочность сжатых и изгибаемых элементов – на эталонных призмах с размерами 150 ´ 150 ´ 600 мм (h/ a = 4).

Опытами установлено, что при 4 ≤ h/a < 8 ≈ 0,75 . Вли­яние гибкости призм при этом ощутимо не сказывается. Влияние гибкости в значительной мере начинает ощущаться при h/a≥ 8.

Прочность бетона на осевое растяжение k_t зависит от сопро­тивления цементного камня растяжению и прочности его сцепления с зёрнами заполнителя. Согласно опытным данным:

, (1.1)

где – средний предел бетона на осевое растяжение.

Причём относительная прочность бетона при осевом растяжении k_t уменьшается с повышением прочности бетона на сжатие. Причинами низкой прочности бетона на растяжение являются неоднородность его структуры, наличие начальных напряжений, слабое сцепление цементного камня с крупным заполнителем. Некоторое повышение (примерно на 15...20%) может быть достигнуто увеличением расхода цемента на единицу объёма бетона, уменьшением W/C, применением вместо гравия щебня с шероховатой поверхно­стью, промывкой заполнителя.

Имеется несколько лабораторных методик определения .Од­нако при испытаниях по этим методикам наблюдается ещё больший разброс по­казателей прочности по сравнению с испытаниями бетона на осевое сжатие, так как образцы трудно центрировать. Поэтому, если из­вестна прочность бетона при сжатии, иногда определяют теоре­тически, например, по формуле:

. (1.2)

Прочность бетона при длительном действии нагрузки. При ис­пытаниях бетонных образцов в лабораторных условиях нагружение осуществляется достаточно быстро, со скоростью 20...30 Н/(см² • с). Реальные же конструкции находятся под действием нагрузки де­сятки лет. Согласно опытным данным при длительном действии на­грузки и высоких напряжениях под влиянием развивающихся зна­чительных неупругих деформаций и структурных изменений бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем временное сопротив­ление осевому сжатию при однократном кратковременном загружении .

Разница между кратковременным сопротивлением бетона и дли­тельным может достигать 25%, если за время выдержки под нагруз­кой прочность бетона не нарастает или нарастает незначительно, т. е. предел длительного сопротивления бетона сжатию находится в интервале:

. (1.3)

Если конструкция эксплуатируется в благоприятных для нарастания прочности бетона условиях и уровень напряжений по­степенно снижается, отрицательное влияние фактора длительности загружения может и не проявиться.

Динамическая прочность бетона. Нагружение считают динами­ческим в тех случаях, когда скорость нагружения от нуля до макси­мальных напряжений составляет 0,001...1с. К конструкциям, рабо­тающим на динамические нагрузки, относятся мосты, шпалы, под­крановые балки, покрытия дорог и аэродромов и др.

При динамической нагрузке особо малой продолжительности, имеющей место при ударных, взрывных и других воздействиях, на­блюдается повышение временного сопротивления бетона – динами­ческая прочность ().Чем меньше время нагружения бетонного образца динамической нагрузкой (τ)(или, что то же самое, чем боль­ше скорость роста напряжений, МПа/с), тем больше коэффициент динамической прочности бетона:

. (1.4)

Это явление объясняется энергопоглощающей способностью бетона, работающего в течение короткого времени нагружения дина­мической нагрузкой только упруго вследствие запаздывания разви­тия неупругих деформаций.

Кроме ударных и взрывных воздействий к нагрузкам особо ма­лой продолжительности можно отнести порывы ветра, сейсмические нагрузки, нагрузку, действующую на конструкцию в момент пере­дачи предварительного напряжения с арматуры на бетон.

Зависимость предела прочности бетона от времени действия на­грузки представлена на рис. 9, в.

 

 

Рис. 9. Зависимость предела прочности бетона:

а – от числа цик­лов загружений; б – от характеристиики цикла на базе N = 2 • 10⁶; в – от времени действия нагрузки; 1 – бетон класса В40; 2 – бетон класса В25

Прочность бетона при многократно повторяющихся нагрузках. Многократно повторяющиеся нагрузки в зависимости от скорости нагружения могут иметь статический и динамический характер.

По количеству циклов «нагрузка – разгрузка» различают два вида повторного нагружения бетона: малоцикловое нагружение бетона (до 100...200 циклов) случайной по величине и периоду повторения нагрузкой с последующей разгрузкой (например, при забивке свай или шпунта) и многократно повторяющееся нагружение цикловой нагрузкой при коэффициенте ассиметрии (характеристике) цикла:

, (1.5)

где и – соответственно наименьшее и наибольшее нормальные напряжения материала в пределах изменения цикла нагрузки.

При малоцикловой загрузке и разгрузке бетона сжимающими на­пряжениями небольшой величины происходит уплотнение и упроч­нение бетона как при длительном сжатии. Когда сжимающие на­пряжения при этом колеблются в пределах между верхней и ниж­ней границами микроразрушения бетона (), то малоцикловое нагружение практически не влияет на его прочность, т.е. не снижает её по сравнению с однократным нагружением. Здесь – то наименьшее сжимающее напряжение в бетоне, при кото­ром по границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя образуются микротрещины; – сжимающее напряжение в бе­тоне, соответствующее верхней границе образования микротрещин и цементно-песчаном камне.

Прочность бетона на сжатие при действии на него многократ­но повторяющихся нагрузок, с повторяемостью несколько миллио­нов циклов, под влиянием развития структурных микротрещин и в результате постепенного накопления пластических деформаций снижается по сравнению с однократным кратковременным загружением. Степень её понижения зависит от характеристики цикла , количества циклов нагрузки и разгрузки N и от­носительного уровня напряжений . Это следует учитывать при проектировании мостов, шпал, подкрановых балок, перекрытий некоторых промышленных зданий, транспортных эстакад, станин мощных прессов и других конструкций, испытывающих подобные нагрузки.

Предел прочности бетона при многократно повторяющейся нагрузке называют пределом выносливости.

Различают абсолютный предел выносливости , т.е.наиболь­шее напряжение, которое бетон способен выдерживать, не разру­шаясь, при неограниченном увеличении числа циклов, и практиче­ский предел выносливости , полученный на ограниченной базе N = 2• 10⁶. Последний зависит от характеристики цикла почти линейно. Его наименьшее значение для наиболее тяжелого цикла при бетоне класса В25 составляет = 0,5 (рис. 9, б). С уве­личением N происходит постепенное снижение , однако после N = (1,5...2) • 10⁶ циклов это снижение незначительно (рис. 9, а).

Наименьшее значение абсолютного предела выносливости, как показали исследования, связано с нижней границей образования структурных микротрещин так, что . Такая связь между и позволяет находить предел выносливости по первич­ному загружению, определяя ультразвуковой аппаратурой.

 

Классы и марки бетона

 

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий их эксплуатации нормы проектирования СП 52-101-2003 устанавливают показатели качества бетона (их несколько). Важнейшим из них является класс бетона по прочности на осевое сжатие В. Он указывается в проектах во всех случаях как основная характеристика бетона.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В называется наименьшее контролируемое значение временного сопротивления сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных после 28 суток твердения при температуре t = 20 ± 2°С и относительной влажности воздуха более 60% с соблюдением всех требований ГОСТ 10180-90, которое принимается с доверительной вероятностью 0,95.

Для бетонных и железобетонных конструкций нормами проектирования СНиП 52-01-2003 по прочности на сжатие предусмотрены следующие классы тяжёлого бетона: В3,5; В5; В7,5; B10; B15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80; В85; В90; В95; В100; В105; В110; В115; В120.

Число, стоящее после буквы «В» в обозначении класса бетона, соответствует гарантированной прочности бетона на осевое сжатие, выраженной в МПа, с обеспеченностью 95%. Например, классу бетона В20 соответствует гарантированная прочность бетона 20 MПa.

Чтобы оценить количественно изменчивость прочности бетона и обеспечить её гарантированное для заданного класса бетона значение, используют методы теории вероятностей. Для этого сначала строят опытные кривые распределения прочности бетона (рис. 10)

Для построения опытной кривой распределения производят ста­тистическую обработку результатов испытаний опытных образцов (например, кубов). Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию (), установленное при испытании партии стандартных кубов

(1.6)

где n₁, n₂,…n_k – число случаев, в которых временное сопротивле­ние соответственно было равно R₁, R₂,…R_k;

п =n₁+n₂+…+n_k – число образцов в партии.

 

Рис. 10. Кривая распределения прочности бетона: а – теоретическая; б – опытная

 

Среднее квадратичное отклонение прочности бетона в партии, характеризующее ее изменчивость:

(1.7)

где ; ;… – отклонения прочности бетона, полученные в отдельных испытаниях, от средней. При n < 30 в знаменатель последней формулы вместо п подставляют n -1.

Весь размах наблюдений разбивают на ряд интервалов. Судя по виду гистограммы или опытной кривой, выдвигают гипотезу относительно закона распределения прочности бетона и проверяют правильность этой гипотезы. Чаще всего имеет место нормальный закон распределения случайных величин по Гауссу, что можно установить, например, по критерию согласия χ ².

Коэффициент вариации прочности бетона (υ) в партии, который ха­рактеризует степень рассеивания прочности бетона, представляет собой отношение:

(1.8)

Опытные исследования, проведенные на заводах в нашей стране, показали, что для тяжёлых, мелкозернистых и лёгких бетонов ко­эффициент вариации прочности бетона при сжатии в среднем со­ставляет 0,135. Его численное значение на отдельных предприятиях, в зависимости от культуры производства и технологии приготовле­ния бетонной смеси, колеблется в пределах 0,05...0,20.

На оси абсцисс теоретической кривой распределения прочности бетона наименьшее контролируемое значение прочности бетона – временное сопротивление сжатию R_n(B) расположено на расстоя­нии 1,64σ влево от значения ,т.е.

(1.9)

где 1,64 – показатель надёжности, или число, которому соответ­ствует надёжность 0,95.

Подставляя в формулу (1.9) v = 0,135, получим В = (1 - 1,64•0,135) = =0,778 .

Обеспеченность или надёжность класса бетона подсчитывают по формуле:

(1.10)

где f(R) – плотность распределения прочности бетона, которая при нормальном законе распределения определяется по формуле:

Заводом-изготовителем при заданном по проекту классе бетона В, в зависимости от уровня культуры производства и фактического значения v= v _завода из формулы (1.9), устанавливается требуемое значение средней прочности бетона на осевое сжатие :

(1.11)

Пусть имеется два завода железобетонных изделий с неодинаковой культурой производства, для которых плотности распределения прочности бетона показаны на рис. 11.

Из рис. 11 понятно, что при изготовлении изделий из неоднородной бетонной смеси имеет место больший расход цемента, чем при изготовлении того же изделия при хорошо отработанной технологии получения бетонной смеси. Т. е. при уменьшении коэффициента вариации прочности бетона на первом заводе-изготовителе с v₁ до v можно снизить требуемую сред­нюю кубиковую прочность бетона с до и тем самым уменьшить расход цемента, сохранив при этом требуемую обеспеченность.

 

Рис. 11. Кривые распределения прочности бетонов: а – однородного; б – менее однородного

 

Классы бетона по прочности на осевое растяжение (В_t0,4; В_t0,8; В_t1,2; В_t1,6; В_t2; В_t2,4; В_t2,8; В_t3,2; В_t3,6; В_t4; В_t4,4; В_t4,8; В_t5,2; В_t5,6; В_t6) устанавливаются для конструкций, работающих преимущественно на растяжение (например, стенок резервуаров и водонапорных труб):

При растяжении принято v_t = 0,165, тогда:

Сроки твердения бетона устанавливаются так, чтобы требуемая по проекту прочность бетона была бы достигнута к моменту загружения конструкции проектной нагрузкой. Для монолитных кон­струкций, выполненных из бетона на обычном портландцементе, этот срок, как правило, принимается равным 28 суткам. Для эле­ментов сборных конструкций заводского изготовления в принципе отпускная прочность бетона может быть ниже его класса, требуемо­го по проекту. Она устанавливается по стандартам и техническим условиям в зависимо­сти от условий транспортирования, монтажа и сроков загружения конструкции.

Кроме того, при необходимости для более полной характеристи­ки качеств бетона могут устанавливаться марки бетона по морозо­стойкости F, по водонепроницаемости W и по средней плотности D.

В п. 5.1.3. СНиП 52-01-2003 предусмотрены бетоны следующих ма­рок:

- по морозостойкости F15, F20, F25, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F700, F800, F900, F100 они характеризуются числом циклов попеременного заморажи­вания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которые вы­держивает бетон без снижения прочности более чем на 15%;

- по водонепроницаемости W 2, W 4, W 6, W 8, W 10, W 12, W 14, W 16, W 18, W 20. Здесь число – величина давления воды в кгс/см², при котором еще не наблюдается просачивания ее через испытуемый стандартный об­разец толщиной 15 см;

- по средней плотности от D 200 до D 5000, что соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м³.

Для бетонов на напрягающем цементе устанавливают марку по самонапряжению.

При необходимости устанавливают дополнительные показатели качества бетона, связанные с теплопроводностью, температуростойкостью, огнестойкостью, коррозионной стойкостью (как самого бетона, так и находящейся в нем арматуры), биологической защитой и с другими требованиями, предъявляемыми к конструкции (СНиП 23-02, СНиП 2.03.11).

 

Деформативность бетона

 

Виды деформаций. Под деформативностью бетона понимается изме­нение его формы и размеров под влиянием различных воздействий (в том числе в результате взаимодействия бетона с внешней средой).

Бетон является упруго-пластическим материалом, в котором, на­чиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций (e_e), появля­ются и неупругие остаточные или пластические (e_pl), т.е. полная дефор­мация (e_b) без учёта усадки равна:

(1.12)

В бетоне различают деформации двух основных видов: объём­ные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки или изменения температуры, и силовые, развивающиеся главным образом в направлении действия сил. Силовым продольным деформациям также соответствуют некоторые поперечные деформации бетона; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v равен 0,2 (коэффициент Пуассона). Причём v остаётся практически по­стоянным вплоть до напряжений . При этом относительная продольная деформация будет , апоперечная деформация .

Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности её действия подразделяются на следующие три вида:

- при однократном первичном загружении кратковременной на­грузкой;

- при длительном действии нагрузки;

- при многократном повторяющемся действии нагрузки.

Наибольший практический интерес представляют продольные деформации бетона при осевом сжатии. Для изучения деформативности бетона при сжатии используют бетонные призмы с h/a = 4, чтобы исключить влияние на получаемые результаты сил трения, возникающих между опорными гранями образца и плитами пресса. На боковые грани призм в средней их части по высоте устанавли­вают приборы для замера деформаций (рис. 12, а) или наклеивают электротензодатчики.

Нагрузка к призме прикладывается постепенно по этапам или ступеням (ступень обычно составляет 1/10...1/20 от ожидаемой раз­рушающей нагрузки). Если деформации на каждой ступени прило­жения нагрузки замерять дважды: первый раз сразу после приложе­ния нагрузки и второй раз через некоторое время после выдержки под нагрузкой (обычно около 5 минут), то на диаграмме полу­чим ступенчатую линию, изображенную на рис. 12, б. Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающие­ся за время выдержки под нагрузкой, неупругие и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно боль­шом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой (рис. 12, б).

Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Длительность загружения обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 13.

Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня напряжений и класса бетона, т. е. .

В связи с этим целесообразно выделить исходные (эталонные) диаграммы, полученные на стандартных призмах, испытываемых скоростью роста деформаций 2%, а затем уже переходить к кор­ректировке (трансформированию) диаграмм. Такая скорость изме­нения деформаций позволяет достигать вершины диаграммы при­мерно за 1 час.

Если по мере падения сопротивления бетона удаётся в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы. Знать как работает бетон на этом участке важно для ряда конструкций и видов нагружения.

Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна , т.е. она состоит из упругой части, равной и неупру­гой , которая после снятия нагрузки практически не исчезает. Точнее небольшая доля неупругих деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки исчезает. Эта часть пластической деформации называется деформацией упруго­го последействия ε_ер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации ε_е1,характеризующая обратимое сплю­щивание пустот цементного камня. Таким образом, после разгрузки бетона окончательно остается остаточная деформация, возникаю­щая из-за необратимого сплющивания пустот цементного камня и излома их стенок ε_рl1 (рис. 13). R₂ – напряжение в момент, пред­шествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная ве­личина).

Рис. 12. К определению продольных деформаций бетона при сжа­тии:

а – опытный образец (призма) с наклеенными на боковых по­верхностях электротензодатчиками; б – диаграмма при при­ложении нагрузки ступенями; 1 – прямая упругих деформаций, 2 – кривая полных деформаций

Рис. 13. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями бетона при сжатии и растяжении: I – область упругих деформаций; II – область пластических деформаций; 1 – нагрузка; 2 – разгрузка; – предельная сжимаемость; – предельная растяжимость; – максимальная сжимаемость при нисходящей ветви диаграммы

При невысоких напряжениях ( ) превалируют упругие деформации (), а при бетон можно рассмат­ривать как упругий материал. При осевом растяжении диаграмма имеет тот же характер что и при сжатии.

Необходимо обратить внимание на предельные деформации, при которых бетон разрушается (точнее начинает разрушаться). Неза­висимо от режима нагружения за предельное значение деформации бетона принимают величину, соответствующую максимальному на­пряжению. Считают приближенно, что средние значения предель­ных деформаций тяжёлого бетона любого класса составляют при кратковременном действии нагрузки:

- при сжатии е_иЬ = 0, 002 (2 мм на 1 м);

- при растяжении е_иbt = 0,00015 (0,15 мм на 1 м).

Знание предельных деформаций бетона необходимо, так как от их величин зависит диапазон совместной работы арматуры с бето­ном и эффективность её использования.

Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки (t > 60 минут), даже постоянной, неупругие деформации с течением времени значительно увеличива­ются. В реальных же условиях в процессе строительства зданий и сооружений идёт постепенное ступенчатое нагружение железобетонных элементов.

Нарастание неупругих деформаций при длительном действии на­грузки называется ползучестью бетона. Впервые ползучесть бетона была обнаружена И. Самовичем в 1885 г. Деформации ползуче­сти состоят из двух частей: пластической, протекающей почти од­новременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. При длительном загружении бетона постоян­ной нагрузкой, которая меньше разрушающей, диаграмма сжатия выглядит так, как показано на рис. 14, а. Участок 0 - 1 этой диа­граммы соответствует деформации, возникающей при загружении; кривизна этого участка зависит, главным образом, от скорости загружения. Участок 1 - 2 характеризует нарастание неупругих де­формаций при постоянном значении напряжений. Наибольшая ин­тенсивность нарастания деформаций ползучести наблюдается в пер­вые 3...4 месяца после загружения бетона (рис. 14, б). Они достига­ют к концу этого периода 40...45% от e_upl,через год они составляют приблизительно 65...75% от e_upl,и через два года 80...90%. Затем на­растание этих деформаций по мере приближения к предельной для данных условий величине e_upl постепенно затухает. Замечено, что нарастание деформаций ползучести прекращается одновременно с окончанием нарастания прочности бетона. Опыты показыв