Механизм снижения прочности бетона в процессе эксплуатации

В целом, характеризуя температурные напряжения, возникающие в опорах вследствие температурной несовместимости деформаций на­ружных и внутренних слоев бетона, следует отметить, что они являют­ся наиболее жесткими и опасными напряжениями. Под их действием в опорах сразу после замерзания могут образовываться продольные тре­щины, а также они могут привести к образованию таких трещин через несколько циклов замораживания — остывания. Причем при действии этих напряжений в опорах может постепенно образовываться множе­ство продольных трещин. Эти напряжения ответственны за появление в опорах так называемых сеток трещин, резко снижающих несущую способность. И наконец, именно напряжения, возникающие в опорах при отрицательных температурах, интенсивно расшатывают структуру бетона при циклических воздействиях и, соответственно, ведут к сни­жению прочности бетона.

Прочность бетона снижается также в результате действия микро­структурных напряжений. По своей природе микроструктурные напря­жения относятся к категории напряжений, в возникновении которых основную роль также играет температурная несовместимость компо­нентов бетона. А это, в свою очередь, ведет к появлению температурных напряжений при изменении температуры как в положительном, так и в отрицательном диапазоне. Появление микроструктурных напряжений в бетоне обусловлено различием температурных деформаций: цементного камня и зерен песка; раствора и крупного заполнителя. Направление и значение этих напряжений зависят от большого количества факторов, и определить их с достаточной для практики точностью не представ-

 

76

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

ляется возможным. Поэтому при анализе микроструктурных напря­жений обычно ограничиваются их качественной оценкой, исполь­зуя упрощенные модели структу­ры бетона. Одна из таких моделей (рис. 3.16) состоит из зерна запол­нителя (ядра) 1, имеющего сфери­ческую форму и покрытого коль­цевым слоем 2 цементного камня или раствора. В действительно­сти зерна заполнителей не имеют формы сферы, а толщина слоя на их поверхности зависит от техно­логических характеристик бетона или раствора. Кроме того, в реаль­ном бетоне структурные модели не

свободны, а связаны между собой в единый монолит. В структурной модели можно наблюдать распределение напряжений в заполнителе и растворе (или цементном камне) при различных изменениях размеров зерна и слоя, возникающих вследствие неодинаковых температурных деформаций заполнителя и раствора. Если иметь в виду, что коэффици­енты линейного температурного расширения зерна и слоя различаются, то при изменении температуры в этом слое возникают тангенциальные  и радиальные   напряжения (см. рис. 3.16). Оба эти напряжения мо­гут быть как растягивающими, так и сжимающими в зависимости от характера изменения температуры (охлаждение или нагрев) и от соот­ношения абсолютных значений коэффициентов линейного температур­ного расширения зерна и слоя.

Используя теорию упругости для расчета напряжений в приведенной модели, можно сделать следующие выводы: значения тангенциальных и радиальных напряжений пропорциональны в основном величине изме­нения температуры и разнице в коэффициентах линейного температур­ного расширения материалов зерна и слоя. Это означает, что при про­чих равных условиях большое значение имеет коэффициент линейного температурного расширения заполнителя. В бетонах одинакового соста­ва этот коэффициент у растворной части можно принять постоянным, а для применяемых пород, годных в качестве заполнителя, данный ко­эффициент изменяется в широком диапазоне. Поэтому целесообразно стремиться к применению заполнителей из материалов, коэффициент линейного температурного расширения которых по возможности бли­зок к значению этого коэффициента для раствора.

 

 

77

 

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

При постоянной толщине слоя цементного раствора вокруг ядра тан­генциальные напряжения возрастают при увеличении диаметра запол­нителя, а радиальные напряжения уменьшаются. Если отношение диа­метра заполнителя к толщине слоя раствора остается постоянным или диаметр структурной модели значительно больше диаметра зерна (ядра), то напряжение не зависит от изменения диаметра заполнителя. С уве­личением модуля упругости зерна напряжения возрастают незначитель­но (при условии, что остальные характеристики постоянны). Наоборот, увеличение модуля упругости цементирующего слоя вызывает резкий рост тангенциальных напряжений, радиальные же напряжения в этом случае возрастают в меньшей степени, хотя и могут иметь большое зна­чение, особенно для обеспечения прочности контактной зоны.

В качестве заполнителя в бетоне опор в основном используется гра­нитный щебень, имеющий коэффициент линейного температурного рас­ширения  = 0,79*10^-51/град. Растворная часть имеет коэффициент рас­ширения по данным [22]  = 1,02-10^-5 1/град. Разность между и  составляет 0,23*10^-51/град (рекомендуемая предельная разность коэф­фициентов линейного температурного расширения заполнителя и рас­твора 0,5*10^-51/град). Расчеты с применением принятой структурной мо­дели показывают, что при такой разности коэффициентов расширения гранита и раствора в последнем при охлаждении на 1 °С возникают тан­генциальные растягивающие напряжения, равные 0,08 МПа (рис. 3.17), и сжимающие радиальные напряжения, равные 0,0096 МПа (в расчетах принимались: r ₁ / r ₂ = 1,05; модули упругости раствора Е₁ = 35 000 МПа, гранита Е₂ = 60 000 МПа; коэффициенты Пуассона: для раствора ₁, = 0,2, для гранита ₂ = 0,2). Расчеты выполнены в соответствии с формулами, полученными на основании решения задачи Ламе [23]. Если принять, что опора, изготовленная из бетона марки М500 и гранитного щебня условной шаровой

                                            формы, изме­няет свою темпе-ратуру от +20 до - 20 °С, то в ней вокруг заполнителя должны воз-никнуть растягивающие танген-циальные напряжения, равные  = +0,384 МПа. И нао­борот, при повышении темпера­
туры, например, от +20 до +60°С в растворной части появятся сжи­мающие танген-циальные напря­жения, равные =-0,32МПа, и растягиваю-щие радиальные напряжения в контактной зоне, равные =0,384 МПа.

 

78

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

                                                                                          

 

Таким образом, при наблю­даемом в эксплуатации опор ди­апазоне изменения темпера-тур в растворной части бетона вокруг заполнителя могут появиться зна­чительные знако-переменные тан­генциальные и радиальные на­пряжения. При этом необходимо отметить, что тангенциальные на­пряжения под влиянием сжимаю­щих напряжений в бетоне от пред­варительно напряженной арма-ту­ры по горизонтальным пло-щадкам полностью погашаю-тся. Вслед­ствие этого непогашенными оказываются напря-жения, действующие в основном по вертикальным площадкам, и по этим площадкам постепен­но образуются вертикальные микротрещины. Растягивающие радиаль­ные напряжения в контактной зоне между растворной частью и заполни­телем под действием сжимающих напряжений в бетоне погашаются по площадкам, перпендикулярным этим напряжениям, и остаются непога­шенными по площадкам, ориентированным параллельно действующим сжимающим напряжениям. По этой причине трещины в контактной зоне образуются с двух сторон ядра крупного заполнителя и в основном ориентированы по этим сторонам также в направлении действия сжи­мающих напряжений  (рис. 3.18). Появление этих трещин наблюдает­ся в первую очередь в бетонах, для приготовления которых используется гравий с гладкой поверхностью. При шероховатой поверхности запол­нителя и прочном его сцеплении с раствором образование вертикальных трещин в контактной зоне происходит значительно позже и при более жестких воздействиях.