Что такое ползучесть бетона

Ползучесть бетона

С течением времени деформации в бетоне могут возрастать без увеличения внешней нагрузки. Данное свойство материалов называется ползучестью.

Ползучесть – способность бетона к увеличению деформаций без изменения внешней нагрузки. Деформации ползучести, как и деформации усадки, имеют затухающий во времени характер.

Ползучесть является полезным свойством бетона, так как способствует перераспределению напряжений. При отсутствии ползучести чрезмерные местные напряжения могли бы привести к разрушению конструкции. Это свойство особенно важно в железобетоне, так как в результате ползучести напряжения, возникшие в бетоне, передаются стальной арматуре.

Стоит отметить, что ползучесть свойственна не только бетону, но и многим пластикам, льду, а также металлам при повышенных температурах и другим материалам.

В зависимости от величины длительно действующих напряжений принято различать линейную и нелинейную области ползучести, в которых зависимость деформаций ползучести от имеет линейный либо нелинейный характер.

Коэффициент ползучести бетона

Коэффициентом ползучести называется отношение деформаций ползучести к упругим деформациям. Таким образом, если мы говорим, что коэффициент ползучести равен 2,0, то это означает, что деформации ползучести вдвое превышают упругие, а полные деформации, следовательно, втрое превысят упругие.

Примечание: Относительную влажность воздуха окружающей среды принимают по СП 131.13330 как среднюю месячную относительную влажность наиболее теплого месяца для района строительства.

Параметры влияющие на ползучесть бетона

В бетоне ползучесть проявляется как при сжатии, так и растяжении. В большинстве случаев ползучесть является отрицательным фактором, однако в ряде случаев ползучесть можно считать полезным свойством – например, ползучесть может приводить к увеличению трещиностойкости и перераспределению усилий в статически неопределимых конструкциях. Большое значение ползучести состоит также и в том, что она уменьшает тенденцию к трещинообразованию в бетонных элементах с заделанными концами. Если такие элементы выполнены из железобетона, то обычная усадка бетона, происходящая при высыхании, сдерживается арматурой. Это приводит к образованию растягивающих напряжений в бетоне и при чрезмерном их развитии к растрескиванию. Пластическая деформация в этом случае уменьшает возможность трещинообразования.

Чем выше процент армирования, тем сильнее сдерживающее влияние арматуры и, следовательно, больше тенденция к трещинообразованию. Однако при сильном армировании сдерживающее влияние арматуры имеет и положительную сторону: трещины возникают на меньших интервалах, вследствие этого они обычно настолько тонки, что остаются незаметными и не влияют на прочность конструкции.

Для неармированного бетона ползучесть в пределах обычных напряжений, принимаемых при расчетах, примерно пропорциональна напряжению, но по мере приближения к пределу прочности скорость нарастания деформации ползучести быстро увеличивается.

Источник

Ползучесть бетона

С течением времени деформации в бетоне могут возрастать без увеличения внешней нагрузки. Данное свойство материалов называется ползучестью.

Ползучесть – способность бетона к увеличению деформаций без изменения внешней нагрузки.

Стоит отметить, что ползучесть свойственна не только бетону, но и многим пластикам, льду, а также металлам при повышенных температурах и другим материалам.

В бетоне ползучесть проявляется как при сжатии, так и растяжении. В большинстве случаев ползучесть является отрицательным фактором, однако в ряде случаев ползучесть можно считать полезным свойством – например, ползучесть может приводить к увеличению трещиностойкости и перераспределению усилий в статически неопределимых конструкциях.

Численно ползучесть бетона может характеризоваться двумя показателями:

1. Коэффициент ползучести. Коэффициентом ползучести называется отношение деформаций ползучести к упругим деформациям. Таким образом, если мы говорим, что коэффициент ползучести равен 2,0, то это означает, что деформации ползучести вдвое превышают упругие, а полные деформации, следовательно, втрое превысят упругие.

Релаксация напряжений в бетоне.

Релаксация – способность бетона к уменьшению напряжений при постоянной деформации.

Релаксация и ползучесть имеют единую природу, т.е. при постоянных напряжениях происходит увеличение деформаций бетона (явление ползучести), а при постоянных деформациях происходит уменьшение напряжений в бетоне (явление релаксации).

Источник

Ползучесть бетона как результат длительных нагрузок

О.Я. Берг, анализируя изменение времени прохождения ультразвукового импульса через бетон при длительном действии нагрузки, пришел к выводу, что при начальных напряжениях вследствие возникновения и развития микротрещин возникают дополнительные деформации, которые складываются с деформациями ползучести, обусловленными перераспределением внутренних усилий между структурными составляющими цементного камня. Значительная роль микротрещин и накопления локальных микроразрушений в бетоне под действием постоянной статической нагрузки в развитии деформаций ползучести подтверждена исследованиями А.В. Саталкина, X. Рюша, З.Н. Цилосани и других исследователей.
Анализ различных типов деформаций при нагружении бетона может моделироваться реологическими моделями. Такие модели, включающие идеальные пружины, амортизаторы, клапаны и другие элементы, не раскрывая физический механизм ползучести, предлагают ее феноменологическое описание.
Одним из основных факторов, влияющих на ползучесть бетона, является относительная влажность окружающей среды. Высушивание образцов приводит к увеличению ползучести бетона в раннем возрасте. При установлении гигроскопического равновесия между средой и бетоном до загружения образцов влияние относительной влажности воздуха сказывается в значительно меньшей степени. Попеременное увлажнение и высушивание бетона увеличивает величину деформации ползучести.
Влияние возраста бетона в момент приложения нагрузки на величину ползучести сказывается сильнее, чем влияние возраста на прочность бетона. На рис. 5.17 приведена, по данным А.М. Невилля, зависимость между величиной ползучести и его «зрелостью», характеризуемой в градусочасах.
При раннем загружении бетона с повышением температуры окружающей среды удельные деформации ползучести бетона уменьшаются, что объясняется ускорением процесса гидратации цемента и возрастанием жесткости кристаллического сростка цементного камня. Противоположный эффект наблюдается при загружении бетона в «зрелом» возрасте, когда гидратация цемента в основном завершена.
Деформации ползучести бетона существенно интенсифицируются при вибрационном нагружении. Виброползучесть бетона тем выше, чем больше амплитуда динамических напряжений и частота колебаний. Деформации виброползучести могут в 2-4 раза превышать обычные деформации ползучести. Как и последние, они затухают во времени.
Деформации ползучести бетона оказывают различное влияние на работу конструкций, их долговечность. Для неармирован-ного бетона при высоких уровнях нагрузки ползучесть ускоряет достижение предельной деформации и разрушение материала. В массивных бетонных элементах ползучесть уменьшает сжимающие напряжения при быстром подъеме температуры. При дальнейшем охлаждении в бетоне развиваются растягивающие усилия и по мере уменьшения ползучести с возрастом бетона в нем могут образовываться трещины. В то же время во всех конструкциях ползучесть бетона уменьшает внутренние напряжения, обусловленные неоднородностью усадки, что приводит к повышению трещиностойкости.

За счет ползучести бетона увеличиваются прогибы железобетонных балок под действием постоянных нагрузок, в железобетонных колоннах она приводит к постепенному перераспределению нагрузки с бетона на арматуру. В предварительно напряженных железобетонных элементах в результате ползучести бетона возможна потеря напряжения арматуры, что надо учитывать при выборе арматурной стали.

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

Источник

Свойства бетонной смеси

Реологические свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и к бетону.

Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто.
Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.
При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости.
Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией.

Технические свойства бетонной смеси

При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность.

Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:
подвижность бетонной смеси (П), являющуюся характеристикой структурной прочности смеси;
жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси;
связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.
Жесткость бетонной смеси характеризуется временем (с) вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости.

Классификация бетонных смесей

Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Удобоукладываемость бетонной смеси

Водопотребность заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков.
Для обеспечения требуемой прочности бетона величина водоцементного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому возрастание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15-25%, поэтому мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность

Деформативные свойства бетона

Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругиe материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия.

Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружения для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины.
Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит от пористости: 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. Модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой:

Усадка и набухание бетона

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих.

Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в. наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.

Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

Морозостойкость бетона

Морозостойкость бетона определяют путём попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20°С и оттаивания в воде при температуре 15-20°С бетонных образцов кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной, пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.

Водонепроницаемость бетона

С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водонепроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бетона. Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландцемента применяют расширяющийся.

Теплофизические свойства бетона

Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), т.е. она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя.

Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют различный коэффициент температурного расширения и будут по разному деформироваться при изменении температуры.

Большие колебания температуры (более 80°С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботиться о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

Источник

Что такое ползучесть бетона

Рекомендации
по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных конструкций

Рекомендованы к изданию решением секции конструкций Ученого совета НИИЖБа.

Содержат методику расчета железобетонных конструкций с учетом ползучести и усадки бетона, условий изготовления, а также сроков нагружения конструкций.

Изложены основные положения расчета, приведены значения деформаций ползучести и усадки тяжелых бетонов и другие характеристики, необходимые для расчета. Даны методики определения потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона, жесткостей и перемещений изгибаемых и сжатых элементов, величин критических сил для сжатых стержней, а также методика расчета статически неопределимых систем.

Для инженерно-технических работников проектных и производственных организаций, научных работников, а также студентов строительных вузов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие Рекомендации содержат положения по учету ползучести и усадки бетона при проектировании бетонных и железобетонных стержневых элементов и составленных из них систем, изготовленных из тяжелого бетона и применяемых в промышленном, гражданском, гидротехническом, транспортном и других областях строительства.

Целью Рекомендаций является внедрение в практику проектирования методов расчета, позволяющих более точно учитывать влияние деформаций ползучести и усадки бетона на напряженно-деформированное состояние бетонных и железобетонных конструкций. Использование в расчетном аппарате статистически обоснованных характеристик бетона, принимаемых в зависимости от состава бетона, его возраста в момент нагружения, длительности действия нагрузки, условий окружающей среды в стадии эксплуатации конструкции и других факторов, позволяет более правильно проектировать бетонные и железобетонные конструкции.

Рекомендации предусматривают возможность применения расчетного аппарата также и при отсутствии в полном объеме исходных данных о составе бетона и некоторых других факторах.

Основными характеристиками бетона, учитываемыми в расчетах, являются прочность и модуль упругости бетона в момент приложения силового или температурно-влажностного воздействия, мера ползучести (характеристика ползучести) бетона, деформация усадки бетона и др.

Рекомендации состоят из 12-ти разделов: в разделах 1-3 излагаются основные положения и предпосылки методик расчета, а также приводятся значения прочностных и деформационных характеристик бетона; в разделах 4-9 содержится изложение методов расчета бетонных и железобетонных конструкций с учетом ползучести и усадки в предположении линейной зависимости между напряжениями и деформациями; в разделах 10-12 приведены методики расчета с учетом нелинейного деформирования бетона при кратковременном и длительном действии нагрузки.

Рекомендации составлены на основе результатов исследований, проведенных в СССР и за рубежом.

Рекомендации разработаны НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн. наук Р.Л.Серых, канд. техн. наук А.В.Яшин), ЦНИИС Минтрансстроя (кандидаты техн. наук Е.Н.Щербаков, Н.Г.Хубова), ВЗИСИ Минвуза РСФСР (д-р техн. наук В.М.Бондаренко, кандидаты техн. наук В.Г.Назаренко, И.М.Сперанский), ОИСИ Минвуза УССР (д-р техн. наук И.Е.Прокопович, кандидаты техн. наук М.В.Штейнберг, А.Н.Орлов), ЛПИ имени М.И.Калинина Минвуза РСФСР (д-р техн. наук П.И.Васильев); НИИСК Госстроя СССР (д-р техн. наук А.Б.Голышев, кандидаты техн. наук В.Я.Бачинский, В.А.Критов).

В разработке отдельных положений Рекомендаций приняли также участие ИСМиС АН ГССР (д-ра техн. наук З.Н.Цилосани, Г.В.Кизирия); ВЗПИ Минвуза СССР (д-р техн. наук Ю.В.Зайцев), ЦНИИС Минтрансстроя (инж. В.Л.Хасин); ДИСИ Минвуза УССР (канд. техн. наук В.А.Пахомов), КАДИ Минвуза УССР (д-р техн. наук Я.Д.Лившиц, ОИСИ Минвуза УССР (кандидаты техн. наук В.И.Барановский, М.М.Застава, инж. М.М.Бакирова), КПИ Минвуза МССР (д-р техн. наук Е.Н.Львовский, инж. Ф.П.Сырбу), ВЗИСИ Минвуза РСФСР (кандидаты техн. наук В.В.Костюков, А.Н.Курбанов, Е.П.Михлин); Ленинградский ИСИ Минвуза РСФСР (канд. техн. наук А.И.Филиппов); ЦНИИпроект Госстроя СССР (канд. техн. наук С.В.Бондаренко).

1. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Рекомендации содержат указания по учету влияния деформаций ползучести и усадки при расчете бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона на цементном вяжущем, выполняемых как без предварительного натяжения арматуры, так и с предварительным натяжением, и предназначенных для эксплуатации в условиях воздействия температур не выше плюс 50 °С и не ниже минус 40 °С и относительной влажности воздуха в пределах от 30 до 100%.

1.2. Материалы Рекомендаций основаны на обширных результатах статистической обработки опытных данных о кратковременном и длительном деформировании бетона, а также экспериментально проверенных теоретических решениях задач теории ползучести. Рекомендации позволяют более точно оценивать влияние ползучести и усадки бетона на несущую способность и перемещения, создают возможности для проектирования более рациональных и экономичных бетонных и железобетонных конструкций.

Для упрощения расчетов помещены таблицы, в которых промежуточные значения определяют по линейной интерполяции.

1.3. Рекомендации распространяются на расчет стержневых элементов бетонных и железобетонных конструкций, а также конструкций, рассчитываемых аналогичными способами, при действии нагрузок и (или) вынужденных деформаций (температурные и влажностные воздействия, смещения опор и т.д.).

Рекомендации не распространяются на расчет массивных конструкций гидротехнических и других сооружений. При наличии данных о величинах деформации ползучести и усадки рекомендации могут применяться и для расчета конструкций из других видов бетона (на пористых заполнителях, на специальных вяжущих и т.п.).

1.4. При определении внутренних усилий и перемещений расчетные температура и влажность среды устанавливаются заданием на проектирование. При отсутствии в задании необходимых указаний температура и влажность среды определяются по отраслевым техническим условиям.

1.6. Численные значения характеристик бетона, приведенные в настоящих Рекомендациях, предназначены только для проектирования. Характеристики арматуры, а также другие данные, не нашедшие отражения в Рекомендациях, следует принимать по соответствующим нормативным документам.

1.7. Усилия в статически неопределимых железобетонных конструкциях от нагрузок и вынужденных деформаций при расчете по предельным состояниям первой и второй групп следует, как правило, определять с учетом неупругих деформаций бетона и арматуры, с учетом в необходимых случаях нелинейности деформаций при кратковременном нагружении и деформаций ползучести, наличия трещин, а также деформированного состояния как отдельных элементов, так и конструкций в целом.

1.8. Усилия, возникающие при любом изменении температуры, определяют в предположении однократного и стационарного во времени характера этих температурных воздействий.

1.9. Вынужденные деформации, связанные с неравномерной осадкой опор в статически неопределимых системах, считаются мгновенно зафиксированными или монотонно изменяющимися по законам, регламентированным соответствующими документами или полученным по результатам экспериментальных или натурных наблюдений.

1.10. При расчете конструкций, возводимых методом последовательного наложения связей после частичного или полного загружения, перемещения в направлении этих связей, сформировавшиеся при работе по разрезной схеме, рассматривают как вынужденные перемещения в неразрезной системе, сохраняющиеся после замыкания связей.

1.11. Если статически неопределимая система состоит из конструктивных элементов, бетон которых существенно различается по возрасту, составу или другим показателям, то в расчет системы следует вводить элементы с соответствующими жесткостями, а также параметрами ползучести и усадки.

2. ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

2.3. Значение начального модуля упругости бетона при известных характеристиках состава бетонной смеси и ее составляющих определяют по формуле

, (1)

Источник