Март 2011
Сжимаемость бетона Многочисленные исследования позволяют достаточно точно установить величины предельной сжимаемости и долговременной сжимаемости бетона. Знание деформативности бетона при кратковременном и длительном нагружении весьма важно при проектировании предварительно напряженных конструкций.
Предельная деформация, которая проявляется при разрушении бетона, в значительной степени зависит от способа и порядка приложения нагрузки и от продолжительности выдерживания образцов под нагрузкой разрушения. В настоящее время нет нормированных способов или правил нагружения образцов из бетона при исследовании его деформативности, однако большинство современных исследователей придерживаются следующих положений:
а) быстрым нагружением (БН) называют такое приложение нагрузки, когда она возрастает ступенями в течение часа, и в этот период наступает разрушение;
б) медленным нагружением (МН) называют такое приложение нагрузки, когда она возрастает ступенями в течение часа до 70% от значения ожидаемой прочности при
разрушении, а затем увеличивается на 5% через каждые 24 ч вплоть до разрушения; не пересекающую кристаллы упругой части структуры. Подобная поверхность была бы весьма обширна, и требовалось бы приложение большого усилия для фактического разделения системы по этой поверхности. Чем больше развиты сростки новообразований в длину и чем сложнее их переплетение, тем большей прочностью и жесткостью обладает цементный камень.
За последние годы искусственно создано несколько новых структур цементного камня, в которых возникновением переплетений из длинных нитей новообразований достигаются особо большая жесткость и прочность цементного камня. К подобным системам можно отнести цементный камень тоберморитовой структуры, полученной при твердении цемента при температуре 150° С , некоторые виды напрягающего цементного камня и т. д.
Можно пользоваться также системой уравнений; тогда выбранными величинами будут и Р.
Для определения деформации последействия необходимо определить разность и распространить ее на весь объем сжимаемого цементного камня. Для определения этой
разницы служит график, построенный для структур с а =0,1. Кривые на гра-фике характеризуют зависимость между величинами, причем интерес всегда представляют не
абсолютные величины, а их разность Дхь фиксирующая пластическую деформацию в капиллярном контакте.
Однако возникшее таким образом состояние структуры не устойчиво, так как кривизна кольцевого мениска г2 отвечает какой-то новой влажности воздуха и не находится по
влажности в гигрометрическом равновесии с окружающей средой, в результате чего начнется испарение влаги из контакта в атмосферу до установления равновесия.
Испарение влаги из контакта частиц обусловливает изменение капиллярного сжатия до k и одновременно уменьшение площади контакта.
Обе эти причины вызовут дальнейшее сближение частиц, которое даст изменение капиллярного сжатия с k до k и некоторое расширение площади контакта вследствие
дальнейшего выдавливания влаги из контакта. Деформация окончательно прекратится после восстановления гигрометрического равновесия между водой контакта и
влажностью воздуха <р. Теперь на контакт действует сила (p + k).
Воздух в порах оказывает большое влияние на деформативность цементного камня, поскольку он обеспечивает свободное перемещение воды капиллярных контактов. Если бы структура цементного камня была освобождена от воздуха, цементный камень вел бы себя как классическое упругое тело, обнаруживая незначительную пластичность.
Рассмотрим случай всестороннего сжатия затвердевшего цементного камня, в котором закончился процесс твердения и усадки. До момента загружения равновесное взаимодействие между частицами цементного камня в капиллярных контактах описано закономерностью. Усилие стягивания частиц уравновешено отпорностью частиц,— k,
взаимодействующих через твердые слои воды в месте их соприкасания. Чтобы сблизить частицы, нужно приложить дополнительное внешнее усилие, которое нарушит равновесие капиллярного контакта, вызовет выдавливание воды из контакта и сблизит частицы.
Вследствие высокой плотности воды диффузного слоя и ее повышенной вязкости, а также вследствие влияния полярных сил частиц на выдавливание воды из контакта потребуется время. Следовательно, в первый момент при нагружении силой р вода в капиллярах будет вести себя аналогично частице, т. е. как твердое тело, и мгновенная деформация системы представится в виде при этом на капиллярный контакт будет действовать сила (p + ki).
В связи с проявляющейся пластической деформацией последействия (тягучестью) вследствие выжимания воды из контакта капиллярное усилие сжатия изменится от k до k. Эта деформация будет происходить до тех пор, пока опорная площадка контакта гь не увеличится до размера, способного сопротивляться суммарной силе (р + й,). Из этого условия легко определить установившийся диаметр контакта где R — временное сопротивление частиц при всестороннем сжатии.
Для определения усилия капиллярного сжатия необходимо решить систему уравнений при заданных характеристиках цементного камня: R, средних а, и выбранных V и Р. Неизвестными являются.
Испытывали более 100 призм длиной 200 мм, помещенных в воду и подвергнутых растяжению подвешенным грузом (рис. 3.25). Предварительно образцы продолжительное время насыщали водой. Воздух, заключенный в цементном камне, распределен дисперсно в цементном геле и частично, в виде крупных пузырьков, между сростками. Крупные пузырьки заполнились водой при увлажнении без всяких затруднений. Заполнение же воздушных зон геля представляет собой сложную задачу. Непрерывная фильтрация воды через цементный камень под давлением 4—5 ати лишь частично обводняет замкнутые воздушные поры и пазухи между частицами. ВНИИГ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники) применял предварительно длительную фильтрацию под давлением и в этом случае достигал заполнения воздушных пространств только на 60%- При длительном хранении образцов в воде глубина пропитки цементного камня составляет всего несколько сантиметров, а степень насыщения — не более 25%. В связи с этим и образцам, которые испытывали на установке, придавали поперечное сечение 25×25 мм, чем обеспечивалась надежная пропитка бетона водой. Под образцами подвешивали груз весом, равным 40% их разрывной прочности. Если после пяти дней образец не разрушался, нагрузку увеличивали на 10% и давали новую выдержку и т. д. Результаты испытаний приведены на графиках рис. 3.26. Прочность влажного бетона для всех образцов составила 60% от прочности сухих образцов. При более тщательной пропитке цементного камня водой его прочность уменьшается вдвое. Можно предполагать, что полное водонасыщение цементного камня в три-четыре раза уменьшило бы его прочность на растяжение.
Изложенное указывает на существенное влияние воздуха и образованного им капиллярного контакта на прочность бетона при растяжении. По-видимому, влияние влажности воздуха на прочность при сжатии несколько меньше; однако, если считать, что причиной разрушения бетона при сжатии является поперечное расширение (т. е. растяжение), разница не должна быть существенной.
Однако в результате деформации и изменения кривизны мениска изменится капиллярное давление с Пп до Пп, нарушится равновесие системы с влагой окружающего контакт воздуха и начнется переход влаги (ее испарение) из контакта в воздух, который будет сопровождаться новой деформацией и уменьшением капиллярного взаимодействия частиц. Деформация будет происходить до тех пор, пока не установится равновесие в системе с влажностью окружающего воздуха.
Каждому такому равновесному состоянию при заданном режиме влажности ф отвечает определенное значение хь которое может измениться при неизменном режиме влажности лишь в сторону увеличения при уменьшении внешней нагрузки.
Пока сопротивление сил связи частиц Rv больше напряжений от приложенной внешней силы, прочность системы не нарушается. Если напряжения от внешней силы приближаются по величине К значению Rp, наступает неустойчивое состояние, когда сопротивляемость капиллярного контакта с увеличением деформации непрерывно убывает и в итоге приводит систему к разрыву связей и отделению, если, конечно, деформация дополнительно ничем не ограничена.
Таким образом, по мере раздвижения частиц капиллярного контакта суммарная прочность контакта уменьшается и к моменту разрушения при слишком большой деформации
достигает наименьшего значения.
Если деформация не доведена до предельной, а нагрузка своевременно уменьшена или снята, то капиллярное стягивание с течением времени восстановится и прочность бетона также восстановится в полной мере, хотя деформация может и не достигнуть первоначального состояния.