Влажностью напряжения в бетоне опор

Из всех воздействий на состояние опор, наряду с рассмотренными температурными воздействиями, особое значение имеют также влажностные деформации, возникающие при увлажнении бетона и являю­щиеся деформациями набухания. В силу своей малой величины они не играют особой роли в напряженном состоянии бетонных конструкций и обычно не учитываются. Наибольшую роль играют влажностные де­формации, наблюдаемые при высыхании бетона и определяемые как де­формации усадки. Особенность этих деформаций состоит в том, что при увлажнении и последующем высыхании бетона распределение влажно­сти по сечению конструкций происходит неравномерно. Неравномер­ным при этом оказывается и распределение деформаций усадки. В силу монолитности конструкций, связанности между собой волокон сече­ния такое распределение влажности и усадочных деформаций при вы­сыхании бетона приводит к появлению напряженного состояния в се­чении конструкций. При этом необходимо отметить, что в статически определимых конструкциях появление напряженного состояния мо­жет быть обусловлено только нелинейным распределением влажности по сечению. Для статически неопределимых конструкций, к числу ко­торых относятся кольцевые сечения опор контактной сети, напряжен­ное состояние возникает также и при линейном распределении влажно­сти по сечению. Исследованиями установлено [15], что распределение влажности при высыхании бетона в целом описывается уравнениями, аналогичными уравнениям теплопроводности для остывающего тела, а напряженное состояние определяется уравнениями, аналогичными

 

 

60

 

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

уравнениям термоупругости. При этом в данных уравнениях является обязательным учет деформаций ползучести бетона, сопровождающих усадочные напряжения.

С помощью отмеченных уравнений был тщательно изучен влажностный режим опор контактной сети при высыхании бетона, теоретически определены величины возникающих при этом на поверхности опор рас­тягивающих напряжений и произведена экспериментальная проверка значений напряжений на различных этапах высыхания бетона опор [16]. В результате этих исследований была установлена зависимость усадоч­ных напряжений прежде всего от величины деформаций усадки бетона или, соответственно, от величины потерь физико-механически связан­ной воды, определяющей эти деформации. При этом следует отметить, что наибольшая величина деформаций усадки наблюдается в процессе твердения бетона и его высыхания в пропарочных камерах в период из­готовления опор.

Отличительной особенностью этого периода является то, что из-за наличия на внешней поверхности опор металлической опалубки высы­хание бетона происходит через внутреннюю поверхность опоры, поэ­тому именно на этой поверхности развиваются наибольшие усадочные напряжения. По величине эти напряжения превосходят прочность це­ментного камня, образующегося на внутренней поверхности при цен­трифугировании опор, и вследствие этого на отмеченной поверхности образуются поверхностные технологические усадочные трещины.

Оценить величину усадочных деформаций бетона при изготовлении опор в целом не представляется возможным, однако полностью изме­ряемыми являются усадочные деформации бетона опор, возникаю­щие после повторного влагонасыщения бетона в воде до достижения им постоянного веса. Хотя эти деформации и меньше общих первич­ных деформаций, наблюдаемых при твердении и высыхании бетона в процессе изготовления опор, тем не менее именно они в определенной степени дают представление об ожидаемых усадочных деформациях и, соответственно, об усадочных напряжениях в эксплуатируемых опо­рах контактной сети. Для оценки трещиностойкости опор и деструк­тивных процессов в бетоне важное значение имеет та часть усадочных деформаций, которая развивается в тангенциальном направлении се­чения опор. Величина этих деформаций, характер их развития в про­цессе высыхания бетона наиболее точно определяются с помощью фи­зических моделей. В качестве последних могут использоваться бетон­ные кольцевые образцы, имеющие радиальный разрез, превращающий замкнутое кольцевое сечение в статически определимый криволиней­ный брус     (рис. 3.7).

В качестве примера приводится поведение отмеченного образца из бетона, состав которого, условия его уплотнения и термообработки со-

 

 

61

 

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

ответствуют составу бетона, условиям уплотне­ния и термообработки центрифугированных опор марки СКУ 8/136. По толщине стенки и диаме­тру кольцевые образцы также принимались иден­тичными фрагменту указанных опор в средней их части. За характеристику усадочных деформаций в разрезанных кольцевых образцах принимался угол взаимного поворота торцевых поверхностей разреза, показанный на рис. 3.7. Другие пере­мещения в разрезе, как показали исследования, имеют небольшую величину и оказывают несу­щественное влияние на формирование напряженного состояния в зам­кнутом кольцевом сечении. Анализ развития усадочных деформаций в кольцевых образцах после их полного влагонасыщения и высыхания в наиболее тяжелом режиме, когда влагопотери происходят только с на­ружной боковой поверхности, показал, что наибольшей величины уса­дочные деформации, характеризуемые отмеченным углом взаимного поворота поверхностей, достигают через 35 — 40 сут после начала вы­сыхания. По истечении этого времени усадочные деформации и, соот­ветственно, угол взаимного поворота поверхностей разреза постепенно уменьшаются (рис. 3.8). Относительная деформация усадки на наружной поверхности образцов в момент наибольшего раскрытия зазора при рас­ходе цемента на изготовление бетона образцов в пределах 480 — 500 кг/м³, принимаемом при изготовлении опор, составляет 81,5*10^-5. Этой дефор­мации соответствует расчетное значение растягивающих напряжений на поверхности замкнутых образцов, равное 1,95 МПа. Эксперименталь­ное значение этих напряжений, полученное при испытаниях кольцевых

образцов такого же состава бетона с «замком» в стенке, находилось в пределах 1,8 — 2 МПа, т.е. оказа­лось близким к расчетному значе­нию напряжений.

 Последующие повторные вла­гонасыщения бетона образцов и высыхания приводили к посте­пенно-му уменьшению деформа­ций усадки на боковой поверхно­сти образцов и, соответственно, к умень-шению раскрытия радиаль­ного зазора в образцах. После при­мерно 8 - 10 циклов увлажнения - высушивания необратимая часть усадочных дефор-маций практи-

 

 

62

 

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

чески полностью оказывалась отжатой, и в образцах при дальнейшем увеличении числа циклов наблюдались только обратимые деформации. Наибольшая относительная величина этих деформаций на наружной поверхности при этом составляла величину порядка (38/41)*10^-5. В си­лу снижения величины деформаций соответствующим образом умень­шились и усадочные напряжения. При отмеченных значениях относи­тельных деформаций расчетные значения усадочных напряжений по­низились до величины 0,9 МПа, а экспериментальная величина их при этом оказалась в пределах 0,6 - 0,85 МПа.

При этом необходимо учесть, что приведенные значения усадочных деформаций и усадочных напряжений получены в общем при искус­ственном создании влажностного состояния бетона испытуемых об­разцов путем их влагонасыщения до постоянного веса в водной среде. В эксплуатации такого насыщения бетона в надземной части опор не наблюдается, и поэтому необходимо учитывать, что фактические зна­чения усадочных деформаций и напряжений будут значительно меньше отмеченных величин, что связано с условиями увлажнения и высыхания бетона опор. Эксплуатационная влажность бетона, как правило, оказы­вается значительно меньше возможного полного влагонасыщения бето­на. В частности, если полное влагонасыщение бетона опор находится в пределах 7 - 8 % (весовых), то фактическая влажность бетона эксплуа­тируемых опор не превышает 3 - 4%, и это связано с условиями и источ­никами увлажнения бетона. После изготовления бетон опор находится в воздушно-сухом состоянии. Дальнейшее его увлажнение или изменение его влажностного состояния может происходить под действием несколь­ких источников воды. Такова, прежде всего, атмосферная влага. Послед­няя выпадает в виде косых дождей и увлажняет наружную поверхность опор, проникая затем внутрь бетона стенки. Опыт показывает, что даже при интенсивном длительном дождевании поверхности опор влага при плотном бетоне проникает внутрь его на небольшую глубину. В частно­сти, установлено, что при почти месячном воздействии дождевой влаги на поверхность опор глубина ее проникновения не превышала 4мм. В силу этого усадочные напряжения при последующем высыхании испы­тывает только тонкий поверхностный слой опор, и в этом слое посте­пенно могут ослабляться только структурные связи. Открытых микро- и макротрещин эти напряжения не вызовут, тем более что они действуют весьма непродолжительное время.

Вторым источником увлажнения бетона является конденсирующая­ся влага внутри опор. Наличие этого источника увлажнения характер­но прежде всего для центрифугированных опор, имеющих внутреннюю невентилируемую полость. При резких колебаниях температуры возду­ха, особенно в осенне-зимний период, эта влага выпадает на внутрен­нюю поверхность опор и интенсивно насыщает внутренние слои бето-

 

 

63

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

на вследствие их высокой пористости и низкой плотности. Далее вла­га из внутренних слоев распространяется к наружной поверхности, но вследствие высокой плотности наружных слоев бетона это распределе­ние происходит преимущественно путем диффузии. И это является при­чиной незначительного увеличения влажности наружных слоев бетона и, как следствие, небольших по величине усадочных деформаций при высыхании этих слоев.

Таким образом, после изготовления бетон приобретает воздушно-сухое состояние, и в последующей эксплуатации в наружных слоях над­земной части опор, за исключением тонкого поверхностного слоя, он изменяет свою влажность в небольших пределах. Следовательно, ожи­дать значительных усадочных напряжений в наружных слоях бетона при их высыхании вряд ли возможно. Во всяком случае, при наблюдаемых изменениях влажности отмеченных наружных слоев бетона величина усадочных деформаций будет существенно меньше деформаций, воз­никающих при полном влагонасышении бетона, а сопровождающие эти деформации усадочные напряжения вряд ли превысят несколько килограммов на квадратный сантиметр. Что касается внутренних слоев бетона, то их влажность может быть близкой к предельному влагонасы-щению. Однако вследствие высокой относительной влажности воздуха внутри полости, близкой к 100%, испарения и потери влаги из этих сло­ев не происходит, и по этой причине в них не наблюдаются усадочные деформации, соответственно, отсутствуют усадочные напряжения.