Деформативные свойства бетона проявляются под нагрузкой, при этом область упругой работы бетона идет от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по границе сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины. При дальнейшем нагружении микротрещины образуются уже в цементном камне и возникают пластические неупругие деформации бетона.
Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругие материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия. Область условно упругой работы бетона — от начала нагружения до напряжения сжатия R0 t, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины. Граница упругой работы бетона соответствует наибольшему сокращению времени прохождения ультразвукового импульса Δt (рисунок-1).
Рисунок-1. Параметрические точки (границы) областей напряженного состояния бетона
R0 t-граница условно упругой работы бетона; R v t -верхняя граница области развития пластических деформаций; R0 t- R v t-область микротрещинообразования.
При дальнейшем нагружении микротрещины образуются уже в цементном камне и возникают пластические — неупругие деформации бетона. Развитию пластических деформаций способствует также наличие гелевой составляющей в цементном камне. Верхняя граница области развития пластических деформаций R v t соответствует возрастанию величины коэффициента поперечной деформации до 0,5, т. е. максимального значения, теоретически возможного для сплошного тела.
При этом время прохождения ультразвукового импульса приближается к первоначальному значению для ненагруженного бетона, принятому за условный нуль. Особенности деформирования бетона под нагрузкой обобщенно описываются реологической моделью (рисунок-2).
Рисунок-2. Упрощенная реологическая модель бетона:
1 — пружина (упругий элемент); 2 — поршень, движущийся в вязкой жидкости и характеризующий неупругие свойства бетона; 3 — пластинчатый элемент сухого трения
При нагружении бетона сначала приходит в действие упругий элемент модели — пружина. Когда нагрузка преодолеет трение между пластинками, характеризующее предел упругости R°T, возникают пластические деформации, постепенно нарастающие по мере увеличения напряжения до значения R v t При этом бетон ведет себя как упруго-вязко-пластическое тело. ‘
Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружении для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины. Если напряжение превосходит 0,2 от предела прочности, то наблюдается заметная остаточная (пластическая) деформация (рисунок-3), и полную деформацию бетона можно представить как сумму упругой и пластической деформации (εпл + εупр).
Рисунок-3. Кривая «напряжение-деформация» бетона
Поэтому диаграмма деформирования (зависимость напряжения σ от относительной деформации ε) не прямолинейна, для каждого напряжения существует свой модуль упругости. Условились за начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимать отношение нормального напряжения к относительной деформации при величине напряжения не более 0,2 от предела прочности.
Таким образом, начальный модуль упругости представляет собой тангенс угла наклона касательной ОА и, следовательно,Ен=0,2R/ε0,2R.
Для других точек кривой, лежащих за указанной границей, модуль деформаций является переменной величиной, равной отношению соответствующего напряжения к полной деформации. Например, для точки i модуль деформации Ei=σi/εполн.
Начальный модуль упругости возрастает при увеличении прочности бетона и, как видно из рисунке-4, зависит от пористости бетона: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости. При одинаковой марке по прочности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе меньше в 1,7 — 2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру.
Рисунок-4.Графики зависимости модуля упругости бетона от его марки
1-тяжелый бетон; 2-легкий бетон на пористых заполнителях;3-ячеистый бетон;
Модули упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равным между собой : Есж=Ер=Еб. Коэффициент упругой поперечной деформации µ (коэффициент Пуассона) бетона изменяется в довольно узких пределах — 0,13 — 0,22 и в среднем равен 0,167.
Между модулями упругости продольной деформации Eб и деформации сдвига G существует связь: G=Еб/2(1+µ), и принимают G=0,4Еб. Предельная относительная деформация бетонного бруса связана с модулем деформации Еб и пределом прочности R при растяжении( сжатии) соотношением
εпред=R/Еб.
Модуль деформаций конструкционных легких бетонов на пористых заполнителях примерно вдвое меньше, чем у равнопрочных тяжелых бетонов, поэтому предельная сжимаемость легкого бетона примерно в 1,5 — 2 раза, а растяжимость в 2 — 4 раза выше по сравнению с тяжелым бетоном. Повышение предельной деформации бетона увеличивает его трещиностойкость.
Ползучесть бетона
Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки (рисунок-4).
Рисунок-5. Развитие ползучести бетона во времени
Таким образом, полная относительная деформация бетона при длительном действии нагрузки слагается из его начальной («мгновенной») упругой деформации и пластической деформации ползучести.Мерой ползучести служит величина с= εn/σ, то есть относительная деформация ползучести, отнесенная к единице напряжения.
В области упругой работы бетона ползучесть εn приблизительно линейно зависит от упругой деформации ε0 и, следовательно, характеристика ползучести φ =εn /ε0, т. е. равна отношению деформации ползучести к начальной упругой деформации.
Ползучесть проявляется при всех видах деформации. По сравнению с ползучестью при сжатии ползучесть при растяжении выше в среднем в 1,5 раза (опыт С. В. Александровского и В. Я. Багрия), а при сдвиге — в 2 — 2,5 раза (опыты Дьюка и Дэвиса).
Ползучесть бетона объясняют пластическими свойствами влажного цементного геля, а также возникновением и развитием микротрещин при напряжениях, превосходящих R°t. Кроме того, при высоких напряжениях проявляется пластическая деформация кристаллической структуры.
Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, условий твердения и влажности. Меньшая ползучесть наблюдается при применении высокомарочных цементов и плотного заполнителя — щебня из изверженных горных пород. Пористый заполнитель усиливает ползучесть, поэтому легкие бетоны имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми.
С увеличением В/Ц ползучесть бетона при прочих равных условиях возрастает, так как цементный гель становится менее вязким, а бетон — более пористым. При одинаковом В/Ц большая ползучесть наблюдается у бетона с более высоким содержанием цемента. В бетоне, нагруженном в раннем возрасте, проявляется гораздо большая ползучесть, чем в позднем возрасте.
На ползучести сказывается климат: замечено ее усиление в теплом и сухом воздухе. Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение водой затвердевшего бетона может также вызвать рост ползучести. Ползучесть обусловливает релаксацию (уменьшение) напряжений в бетоне при сообщенных ему вынужденных деформациях.
Рисунок-6. Кривые релаксации напряжений в бетонном брусе при сообщенной ему постоянной единичной деформации (по С. В. Александровскому) :
1, 2, 3, 4 — нагружение бетона в возрасте 2, 5, 10 и 20 сут
На рисунке-5 приведены кривые релаксации напряжений в бетонном брусе, характеризующие постепенное снижение напряжений в бетоне при сообщенной ему постоянной единичной относительной деформации (по С. В. Александровскому).
Однако ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может играть и отрицательную роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.