Ввиду того что у экспериментаторов установилось правило судить о моменте появления трещин в железобетоне по показаниям приборов о потере пропорциональности между деформацией и нагрузкой, истинное положение вещей оставалось неизвестным, вследствие того, что такая потеря пропорциональности может произойти и при растрескивании
бетона и при появлении в нем пластичности (текучести).
В структуре цементного камня при растяжении передача усилий от частицы к частице происходит через капиллярные контакты, которые пластически реагируют на усилие. Вследствие извилистости и сложной конфигурации направленной передачи усилий создаются трудные условия для неограниченного развития деформации при растяжении и она тормозится и затухает.
Рассматривая схему, обнаруживаем, что расстояние между частицами в капиллярном контакте при изменении силы взаимодействия может существенно измениться без раз-рыва связи в контакте.
Если полагать, что гель цементного камня столь деформативен, то можно наблюдать очень большие пластические деформации цементного камня при растяжении, чего на самом деле нет, и предельная растяжимость величиной 1010—5 является действительно существующим пределом. Объясняется это главным образом неоднородностью структуры бетона.
Рассмотрим схематически изображенную цепочку передачи усилия в структуре бетона. Вследствие различия форм частичек и конфигурации примыкания предельная сопротивляемость в каждом контакте различна, и при повышении нагрузки большая деформация и разрыв связи произойдут по слабому месту бетона.
При растяжении бетонного бруска по длине всегда имеется одно сечение с минимальной сопротивляемостью, которая для нескольких сечений в бруске представляется на графике семейством кривых. При повышении нагрузки брус придет в пластическое состояние и затем к разрушению в наиболее слабом сечении 3—3. Однако большая относительная деформация не будет зафиксирована обычным тензометром или датчиком в месте разрушения только потому, что измерительные приборы фиксируют деформацию на очень большой базе (100—200 мм) по сравнению с размерами расстояния между частицами в зоне разрыва. Поэтому местная деформация в сечении 3—3 почти не отразится на величине общей деформации, зафиксированной прибором. Техника грубых измерений не позволяет фиксировать деформации в межмолекулярных межколлоидных масштабах.
Растяжимость бетона
В отношении растяжимости бетона сохранились различные точки зрения. Хотя отрицавшаяся ранее пластическая деформация бетона при растяжении теперь признана существующей и в нормативной литературе введена прямоугольная эпюра напряжения в растянутой зоне бетона в предельном состоянии, тем не менее величина растяжимости бетона принимается на прежнем уровне — равной 10-105 .
В процессе создания новых форм железобетона возникли:
XIV. сборно-монолитные конструкции, которые составляют (собирают) из предварительно напряженных элементов и замоноличивают обычным или легким бетоном без предварительного напряжения;
XV. конструкции из сердечников труб и резервуаров, обмотанных предварительно напряженной арматурой с последующим нанесением защитного слоя бетона без предварительного напряжения.
Для этих конструкций крайне важно, чтобы соединительные или защитные слои бетона при деформации их под нагрузкой преждевременно не разрушались и не покрывались открытыми трещинами. Иными словами, возникает необходимость более детального изучения растяжимости бетона и особенно в условиях связанных деформаций.
Влияние среды, в которой происходит деформация бетона, на величину ее в свободном состоянии может быть весьма значительным. Как показали испытания предварительно
напряженных балок, составленных из бетонных сердечников, обмотанных с внешней стороны предварительно напряженной арматурой и покрытых слоем защитного безусадочного или расширяющегося бетона, видимые трещины на защитном слое появлялись одновременно с трещинами в сердечнике; в то же время возможные деформации бетона сердечника вследствие его сильного предварительного обжатия были в несколько раз больше предполагаемых свободных деформаций бетона защитного слоя. Возникал вопрос о причинах такого явления. Высказывались предположения, что трещины в защитном слое возникали в свое законное время, но они были невидимы вследствие того, что разбивались на большое число мелких, часто расположенных разрывов. Существовала и другая точка зрения: будто под действием ведущей деформации среды в виде сердечника или дисперсно расположенной в ненапряженном бетоне предварительно напряженной арматуры (испытывающей одинаковую с сердечником деформацию при загружении) в бетоне проявлялась повышенная пластичность, вследствие чего общая растяжимость бетона значительно увеличивалась.
По-видимому, эта нагрузка, принятая в размере, соответствующем 65% временного сопротивления бетона сжатию, предельно допустима. Колонны сечением 25X25 см и длиной 187,5 см испытывали на внецентренное сжатие в течение 600 дней при эксцентрицитетах 18,75 и 31,2 см нагрузкой в 65% от разрушающей. Результаты испытаний приведены в графике. Деформация сжатия в бетоне при нагруженый составила около 250-10 ° ; уже к трем месяцам она увеличилась до 400-450 105 и в конце ДН составила 500-ь600 105 Приведенные данные убеждают в недопустимости большого длительного обжатия бетона растянутой зоны конструкции. В случаях же, когда наибольшее обжатие бетона предварительно напряженной арматуры действует непродолжительно и вскоре уменьшается под влиянием собственного веса и полезной нагрузки, можно допустить кратковременные большие обжатия бетона при условии предварительного расчета деформации, как рекомендуется в разделе 4.2.6 гл. 4.
В предварительно напряженных конструкциях часто применяется предварительное напряжение верхней арматуры. В предельном состоянии разрушения сжатая зона показывает
предельную сжимаемость, вследствие чего степень предварительного напряжения верхней арматуры уменьшается и усилие в ней в меньшей степени ослабляет сечение, чем первоначально. В соответствии с указаниями нормативных документов это уменьшение оценивается в, что соответствует укорочению 10 и много меньше предельной сжимаемости бетона при БН. Следовательно, рекомендуемая нормами величина а с при разрушении безусловно принята с запасом. В связи с этим часто высказываемые предположения о существенном ослаблении изгибаемой конструкции вследствие напряженного армирования ее сжатой зоны не основательны.
При сильном напряженном армировании конструкции в обеих зонах, например в рамных конструкциях и когда сооружение работает на две разнозначные системы нагрузок, расчеты прочности следует вести с учетом действительной сжимаемости бетона под нагрузкой БН, принимая предельную сжимаемость до 3 потерю напряжения до 5400 кг/см2.
Если есть уверенность в том, что перегрузка не может быть внезапной, а будет нарастать постепенно, можно принимать сжимаемость как при МН, т. е. до 450- 10—и учитывать снижение предварительного напряжения в пределах 8100 кг/см2, при этом необходимо помнить, что этими последними рекомендациями можно пользоваться только при абсолютной уверенности в том, что нагрузка будет повышаться медленно.
Уже по величине деформации сжатия в процессе повышения нагрузки для ДН, на что обычно затрачивается не более четырех дней, можно судить о том, выдержит ли бетон ДН
или разрушится. Если эта деформация превышает величину 250- 105 нарастание деформации при ДН будет идти с ускорением и бетон неминуемо разрушится. Таким образом,
деформацию в 250-105 при МН надо рассматривать как критическую для определения долговременной прочности бетона.
Изложенное относится к бетонам любых марок по прочности, так как для бетонов марок до 500 не было замечено каких-либо существенных отклонений от указанной закономерности.
В США И. Вейст, Р. Эльстнер и Е. Хогнестад изучили поведение 44 образцов внецентренно нагруженных железобетонных колонн с большим и малым эксцентрицитетами.
Результаты их исследований приведены в 3.15 и 3.16. Девятнадцать колонн подверглись ДН с интенсивностью нагружения 82—95% от прочности при БН; шесть колонн из их числа саморазрушились в интервале времени от 1,5 до 151 дня. Колонны, которые не разрушились, выдерживали под нагрузкой от 219 до 933 дней. Наименьшая нагрузка разрушения была 82,6%, наибольшая — 95,4%. Предельная сжимаемость бетона при БН составила 400-Ю-5 . Долговременная сжимаемость при ДН для саморазрушившихся колонн составила предельно 575- Ю-5, а для колонн, выдержавших ДН, — до 872-Ю-5 .
Эти исследования интересны тем, что величина критической деформации периода загружения составила 231 Ю-5 и все шесть колонн, показавшие эту величину деформации и большую, самопроизвольно разрушились. Это наглядно видно на графиках, где на оси абсцисс отложены величины деформаций периода загружения (в течение примерно 3—4 дней), а на оси ординат: на графике а —деформации бетона в первые 10 дней ДН и на графике б — долговременная сжимаемость бетона. Все колонны, давшие в период загружения деформацию, меньшую чем 231 10, показали способность нести нагрузку бесконечно долго.
Вследствие большой сжимаемости бетона при ДН непрерывно растут и прогибы. На графике видно, что прогибы внецентренно нагруженных колонн достигают 10 мм и более, т. е. более длины колонн. Изложенные данные о деформативности бетона имеют прямое отношение к поведению бетона в предварительно напряженных конструкциях. Усилие предварительного напряжения создает при спуске его внецентренное сжатие напрягаемых элементов. Из экономических соображений обычно стремятся по возможности уменьшить размеры растянутой зоны балки и допускать временно высокие напряжения обжатия бетона этой зоны. Во избежание чрезмерных деформаций обратного выгиба и даже раздавливания бетона этой зоны при длительном хранении конструкции без нагрузки нельзя допускать чрезмерных перегрузок от предварительного напряжения.
Чередование веществ в длительным нагружением (ДН) называется такое приложение нагрузки, когда она медленным нагружением возрастает до 90%: от значения ожидаемой
прочности при разрушении и поддерживается на таком уровне либо до момента самопроизвольного разрушения, либо- неопределенно долгое время.
Нагрузку сжатия можно приложить к конструкции либо центрально, либо с эксцентрицитетом, однако деформации рассматриваются всегда на сжатой стороне конструкции.
На графике показаны деформации бетона одного и того- же состава и одинаковой прочности при различных методах нагружения БН, МН, ДН и (ДН + БН).
Наибольшая прочность (т. е. нагрузка, которую выдерживает испытываемый образец) всегда получается при БН, которая принимается за 100%. МН почти всегда дает меньшие
значения прочности, которые составляют около 95% от прочности БН. Бетон, выдержанный под нагрузкой в 90% ДН, либо разрушается при этой нагрузке через какой-то период
времени, измеряемый от 3 до 200 дней и более, либо выдерживает нагрузку неопределенно длительное время и затем может быть разрушен при БН на уровне 95%.
Предельная сжимаемость бетона при БН колеблется в довольно широких пределах — от 230-Ю-5 до 400-Ю-5, однако преобладающее число испытаний указывает на возможность считать ее в среднем равной 300-Ю-5. Опыты Иллинойского университета [25] указывают в качестве предельной величины сжимаемости 380-Ю-5.
Сжимаемость бетона при МН может быть принята 450 105 и является средней между БН и ДН.
Долговременная сжимаемость бетона при ДН к моменту саморазрушения составляет 600-Ю-5, т. е. вдвое больше, чем предельная сжимаемость при БН.
Долговременная сжимаемость бетона при ДН, продолжающейся неопределенно большое время до полного затухания деформации, составляет 700- Ю-5 и даже 800 10-5.
Характерно, что бетон при ДН до затухания деформации с последующим БН показывает такую же сжимаемость, как если бы он испытывался БН без предварительного ДН.
Таким образом, предельная сжимаемость бетона при БН не зависит от порядка нагружения, предшествующего БН.