Вплив структурних напружень на властивості бетону

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вплив структурних напружень на властивості бетону

Фенко Г.О., Фенко О.Г.

Аналізується вплив структурних напружень, викликаних тривалим навантаженням на міцність бетону і на окреслення діаграми “січний модуль деформації - напруження”. Обґрунтовується фізична суть цього впливу. Наводяться результати експерименту.

Задача досліджень полягає у визначенні впливу навантажень тривалістю в десятки років на властивості бетону, що в деякій мірі відповідає термінам експлуатації будівельних конструкцій.

Аналізуючи результати останніх досліджень, слід відмітити, що в середині минулого століття було експериментально доведене підвищення міцності бетону за рахунок тривалого навантаження при руйнуючому навантаженні того ж знака, що й тривале. Пояснювалось таке підвищення міцності бетону, в основному, інтенсифікацією хімічних процесів під дією тривалого навантаження. навантаження бетон міцність деформація

Враховуючи таке підвищення міцності, в нормах (СНИП) була введена величина розрахункового опору на розтяг (R_T) в попередньо напружених елементах на 40% вища, ніж у попередньо ненавантажуваних елементах (тобто R_T = 1,4R_Р ).

В 1967 році теоретично була доведена неминучість зниження міцності бетону на розтяг після тривалого стиску, після чого в Полтавському національному технічному університеті (колишньому будівельному інституті) були проведені відповідні експерименти.

Всі досліди проводилися на бетонних призмах розмірами поперечного перерізу 10x10 см, виготовлених із важкого бетону з розмірами щебеню 10…20мм. Призми навантажувалися тривалими стискуючими силами різної величини, після чого випробовувалися на центральний розтяг до руйнування. З метою досягнення чистоти дослідів використовувалося спеціальне обладнання, яке дозволяю випробувати одну й ту ж призму на стиск і розтяг, не змінюючи центровки [1, 2]. Характерним є те, що зразки до розпалубки знаходились практично герметично закритими в металевих формах.

Перші ж досліди підтвердили теоретично передбачуване зниження міцності бетону на розтяг після тривалого стиску на 30….36% [3, 4]. Пояснюється таке зниження появою в цементному камені (розчині) власних розтягуючих напружень (після розвантаження зразків), викликаних повзучістю бетону при тривалому стиску. Тобто, до прикладення на бетон розтягуючого навантаження цементний камінь(а він у важкому бетоні має меншу міцність ніж щебінь) уже розтягнутий. При розтязі такого бетону цементний камінь (розчин) досягає граничного стану раніше, ніж у вільно твердівшому бетоні. Поява тріщин у цементному камені приводить до зниження міцності бетону при розтязі.

Можна зробити і загальний висновок: будь-яке зменшення розмірів цементного каменю (викликане усадкою або повзучістю при стиску) приводить до підвищення міцності на стиск і зниження на розтяг, а збільшення розмірів цементного каменю (викликане набряканням або повзучістю при розтязі) повинне підвищувати міцність бетону на розтяг і знижувати на стиск. Ці висновки теж були підтверджені дослідами [4, 5].

Паралельно з дослідами на міцність проводилися дослідження впливу власних структурних напружень на деформативні властивості бетону. Перш за все була встановлена лінійна кореляційна залежність між січним модулем деформацій та напруженнями для бетонів, які не мають тріщин або значних власних структурних напружень [5].

Обгрунтована також фізична суть викривлення діаграми для бетонів, які мають тріщини або власні структурні напруження викликані усадкою (чи повзучістю при стиску), а також набряканням (чи повзучістю при розтязі) [6] (рис.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Вплив тріщин (Т), усадки (У) і набрякання (Н) на окреслення діаграми

В подальших дослідах окреслення діаграм дали можливість додатково підтвердити причини впливу тривалих навантажень на міцність бетону. Був також досліджений вплив коливання атмосферного тиску на деформації бетону [7].

Проведені також досліди по впливу розтягу різної інтенсивності тривалістю 11 та 15 років на властивості бетону [8].

Задача подальших дослідів полягає в збільшенні тривалості навантаження (враховуючи те, що термін експлуатації будівельних конструкцій складає десятки років), а також по можливості виключення інтенсифікації хімічних процесів (викликаних навантаженнями) на властивості бетону.

Методика проведення дослідів аналогічна з раніше описаною. Вологоізольовані призми в 1974 році були навантажені розтягуючими силами 5, 10 і 15 кН. Через 30 років зразки були випробувані на розтяг і стиск до руйнування. На стиск, як і раніше, випробовувалися призми, складені з двох частин після розриву.

Результати впливу тридцятирічного розтягу на міцність, бетону при розтязі і стиску приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Міцність бетону після тридцятирічного розтягу

Як видно з таблиці, розтяг силою 5 кН дещо збільшив міцність на стиск, а розтяг силами 10 і 15 кН зменшив міцність. Підвищення міцності бетону на стиск за рахунок тривалого розтягу силою 5 кН можна пояснити активізацією хімічних процесів за рахунок деформації бетону в ранньому віці (починаючи з 14 діб). Незначне зниження міцності бетону на стиск при підвищенні рівня тривалого розтягу (10 і 15 кН) обумовлене впливом власних структурних напружень, викликаних повзучістю бетону при розтязі.

Тривалий розтяг силами 5 і 10 кН підвищив міцність на розтяг, а розтяг силою 15 кН дещо зменшить указану міцність. Збільшення міцності на розтяг підтверджується й попередніми дослідами, що пояснюється знову ж таки власними напруженнями (цементний камінь стиснутий, а щебінь розтягнутий в розвантажених зразках). Винятком є призми з тривалим навантаженням 15 кН, міцність яких виявилась дещо нижчою від міцності призм з навантаженням 10 кН. Таке зниження міцності можна пояснити високим рівнем тривалого навантаження: на початок навантаження цей рівень складав 0,83 від руйнівного при розтязі, що повинне привести до появи мікротріщин.

При випробуванні на стиск призми навантажувалися ступінчасто з однаковою витримкою на кожному ступені і вимірюванням деформацій тензометрами ТА-2 на базі 200 мм, що дало можливість побудувати діаграму ”січний модуль деформації - напруження” . Як видно з рис.2, діаграма призм, які вільно тверднули (П - 00), на початку координат викривлена вгору від прямої лінії, що свідчить про наявність у бетоні власних структурних напружень, викликаних усадкою [4]. Одночасно слід відмітити, що викривлення діаграми незначне, це можна пояснити релаксацією власних напружень. Характерним є те, що за тридцять років не проявилась повна релаксація власних напружень.

Діаграми призм П - 10 (тривало навантажуваних силою 10 кН) мають деяку тенденцію викривлення на початку координат униз від прямої лінії, що свідчить про наявність структурних напружень (хоч і незначних), викликаних повзучістю цементного каменю при розтязі, тобто цементний камінь стиснутий, а щебінь розтягнутий. Малу величину цих напружень можна пояснити тим, що на початку тривалого навантаження розміри розтягнутих зразків (а також і цементного каменю) зменшувалися. Пізніше таке зменшення розмірів компенсувалося повзучістю цементного каменю при розтязі, цементний камінь навіть став збільшуватися в розмірах, але результуючі деформації повзучості, як видно з діаграм, незначні.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Вплив тривалого розтягу на залежність при стиску:

R_t - міцність бетону при розтязі; П - 10 і П - 15 - призми, навантажені тривалими силами 10 та 15 кН; П - 00 - призми, вільні від тривалого навантаження

Характерним є те, що при подальшому навантаженні січні модулі бетону в призмах П - 10 і П - 15 виявились більшими, ніж у П - 00. Таке збільшення січного модуля в тривало навантажуваних зразках можна пояснити інтенсифікацією хімічних процесів у перші дні навантаження .

Особливістю деформування призм П - 15 є тенденція до збільшення січного модуля деформацій на перших ступенях навантаження (рис.2), що підтверджує появу мікротріщин, викликаних високим рівнем тривалого розтягу (0,83 від руйнівного).

Уже відмічалось, що причиною впливу тривалих навантажень на міцність бетону є інтенсифікація хімічних процесів і повзучість. Кількісне співвідношення цих впливів оцінити дуже трудно.

Виключити вплив хімічних процесів можна на старих бетонах. Такі досліди були проведені: вологоізольовані призми вільно (без навантаження) тверднули на протязі 20 років. За цей період практично припинились хімічні процеси та усадка, а також значно зменшилась здатність до повзучості. Через 20 років призми були навантажені силами різної величини (інтенсивність навантаження - 0,2; 0,4 та 0,6 від руйнуючого) на 10 років, після чого були випробувані на розтяг і на стиск до руйнування. Результати впливу тривалого розтягу на міцність старого бетону приведені в табл. 2.

Таблиця 2

Міцність старого бетону після десятирічного розтягу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Вплив тривалого розтягу на окреслення діаграми старого бетону (цифрами на діаграмі показаний рівень тривалого навантаження в кН).

Як і слід було очікувати, тривалий розтяг практично не вплинув на міцність старого бетону при стиску. Причиною цього явища є занадто малі деформації усадки і повзучості та, як наслідок, відсутність значних структурних напружень.

Вплив тривалого розтягу на міцність при розтязі неоднозначний. Підвищення міцності бетону за рахунок тривалого розтягу при рівні 0,2 можна пояснити проявом повзучості при розтязі, яка дещо перевищила усадку і збільшила міцність при розтязі. Зниження міцності на розтяг бетону при тривалому навантаженні до рівня 0,4 і 0,6 від руйнуючого порівняно з навантаженням до рівня 0,2 можна пояснити, аналізуючи окреслення діаграми при стиску бетону (рис. 3).

Враховуючи те, що структурні напруження, викликані усадкою, викривляють діаграму на початку координат вгору від прямої, можна зробити висновки, що у вільно тверднучих зразках мають місце власні структурні усадочні напруження. В решті діаграм викривлення значно менше. Зменшити викривлення могла повзучість при розтязі, яка підвищує міцність на розтяг (це стосується зразків навантажуваних силою 5 кН), або поява поперечних мікротріщин, які зменшують згадану міцність (це стосується зразків, навантажуваних тривалими силами 10 і 15 кН.

В результаті багатьох дослідів розкриті причини впливу тривалих навантажень на міцність бетону при розтязі і стиску, а також доведений зв'язок деформативних властивостей бетону зі змінами його міцності.

Особливості деформування бетону допомогли розкрити фізичну суть впливу навантажень на міцність бетону.

На далі доцільно розширити досліди по впливу структурних напружень на властивості легких бетонів.

Література

1.Фенко Г.А. Методика комплексного испытания бетонных призм на растяжение и сжатие // Сб. “Ползучесть и усадка бетона” (Материалы совещаний союзной комиссии РИЛЕМ), “Будівельник”. - Киев. - 1969. - С.181 - 185.

2. Фенко Г.А., Макаренко Л.П. Приспособление для испытания бетонных призм на центральное растяжение и сжатие, Авторское свидетельство №387248,1973.

3. Макаренко Л.П., Фенко Г.А О снижении прочности бетона на растяжение после длительного обжатия, // Бетон и железобетон. - 1970. - №7. - С.44 - 45.

4. Макаренко Л.П.,Фенко Г.А., Свинаренко И.Д. Влияние уровня длительного сжатия и растяжения бетона на его прочность при перемене знака усилий в преднапряженных элементах // Сб. “Вопросы надежности железобетонных конструкций”, Куйбишев.- 1973. - С.151 - 154.

5. . Макаренко Л.П., Фенко Г.А. Практический способ определения модуля упругости и упруго- пластических характеристик бетона при сжатии // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1970.- №10. - С.141-147.

6. Фенко Г.А. Влияние структурных напряжений на деформативные свойства бетона // Изв. вузов. Строительство. - 2001. -№4. - С.142-145.

7. Фенко А.Г. Влияние изменения атмосферного давления на деформации усадки и набухания бетона // Бетон и железобетон в Украине. - 2001.- №6.- С.9-10.

8. Фенко Г.А., Гергель А.В. Влияние длительного растяжения на свойства бетона // Изв. вузов. Строительство. - 2001.- №11.- С.129-132.

Размещено на Allbest.ru