Осадка, усадка и набухание бетона
2. Осадка усадка и набухание бетона
Усадка и набухание
Усадка бетона — это изменение его параметров за счет сжатие линейных размеров готовой конструкции. Усадка бетона определяется тремя важными элементами: карбонизация, контракция (стяжение) и влажность. В строительстве используют, так называемые усадочные швы, чтобы избежать появления трещин в результате усадки бетона в длинных сооружениях. Так, при усадке бетона на 0,3мм/м, строение протяженностью 30 метров получит общую усадку около 10мм. Возможны случаи неравномерной усадки, которые вызваны различным содержанием влаги на разных участках бетона. Результатом неравномерной усадки является растягивающее напряжение и внутренние трещины. Самая большая усадка у цементного камня, поэтому для определенных целей лучше использовать цементный раствор. Заполнитель образует блокирующий каркас, который противостоит усадке. Бетон, который не защищен от атмосферных осадков, подвергается попеременному изменению влажности. Такое состояние вызывает периодические деформационные образования, которые ведут к формированию микротрещин и дальнейшему крошению бетона
Удаление воды из бетона при хранении его на открытом воздухе вызывает усадку. Возможно, что усадка или часть ее вызвана удалением из цементного камня химически связанной воды. Известно, что гидросиликат кальция при высушивании характеризуется сокращением размеров крастиллической решетки от 14 до 9 А. Аналогичное сокращение размеров присуще и гидросульфоалюминату кальция и гидрату четырехкальциевого алюмоферрита. Таким образом, нельзя определить, связана ли усадка с удалением внутри или вне кристаллической влаги. Однако, поскольку величина усадки для портландцемента и глиноземистого цемента одинакова, очевидно, основная причина усадки заключена в физической природе цементного геля, а не в его химическом или минералогическом составе.
Зависимость между потерей воды и величиной усадки показана на рис. 6.12. Для чистого цементного камня эти две величины связаны друг с другом прямой пропорциональной зависимостью при условии, что в цементном камне нет капиллярной влаги и удаляется только адсорбционно связанная вода. В смеси с добавкой к цементу молотого кремнезема, где для затворения требуется большее количество воды (т. е. для смесей с большим В/Ц), даже после полной гидратации цемента имеется определенное содержание капиллярной влаги. Удаление капиллярной влаги вначале не сопровождается усадкой системы, однако после того, как свободная вода удалена из цементного камня, начинается удаление адсорбционно связанной воды, которое сопровождается усадкой, протекающей с теми же закономерностями, что и в чистом цементном камне. Поэтому участки кривых на рис. 6.12, характеризующие усадку за счет удаления адсорбционно связанной воды, имеют одинаковый наклон для смесей с различным содержанием цемента. Бетоны, в которых свободная вода содержится в крупном заполнителе или в больших порах и дефектах структуры, характеризуются большим разнообразием форм кривых усадки.
Цементный раствор или бетон при длительном хранении в воде характеризуется набуханием, т. е. увеличением объема и веса. Это набухание обусловлено адсорбцией воды цементным камнем: молекулы воды обладают расклинивающим действием и уменьшают межмолекулярные силы. Кроме того, вода вызывает уменьшение поверхностного натяжения материала, вследствие чего также происходит некоторое расширение бетона.
Линейное расширение в воде образцов из цементного теста по отношению к размерам образцов через 24 ч после их изготовления имеет следующие величины:
1300X10"6 через 100 суток 2000Х10"6 через 1000 » 2200Х10 '' 6 через 2000 »
Набухание бетона значительно меньше, величина его колеблется от 100X10—6 до 150X10—6 для бетона с содержанием цемента 250 кг/м3. Такая величина набухания наблюдается через 6—12 месяцев хранения в воде бетонных образцов, при дальнейшем хранении величина набухания незначительна.
Набухание сопровождается увеличением веса бетона на величину около 1 %
Ползучесть бетона
При длительном воздействии постоянной нагрузки деформации бетона нарастают в течение продолжительного времени — бетон как бы течет. Это свойство бетона получило название «ползучести». Свойство ползучести под длительно действующими нагрузками объясняется главным образом свойствами цементного теста, представляющего вначале студнеобразную аморфную массу (гель), в которой впоследствии появляются и растут кристаллические образования. Гель обладает большой деформативной способностью, но с потерей влаги и постепенным переходом в кристаллические образования деформация снижается.
Этим объясняется и то обстоятельство, что в молодом бетоне пластические деформации под воздействием внешней нагрузки сперва быстро растут, а затем их рост замедляется и постепенно прекращается. Дальнейшее развитие этого явления возможно, если нагрузка будет увеличена до предела, способного вызвать пластические деформации затвердевшего скелета цементного теста. Строение бетона можно представить в виде пространственной решетки из затвердевшего цементного теста, пустоты которой заполнены гравием (или щебнем) и песком, причем весь этот конгломерат ввиду сцепления между цементным тестом и заполнителем работает совместно.
Обычные заполнители бетона — гравий и щебень — имеют модули упругости более высокие, чем затвердевшее цементное тесто, и не обладают свойствами ползучести при нагрузках, воспринимаемых бетоном.
В результате процесса кристаллизации цементного теста кристаллы, пронизывая массы геля, срастаются между собой и образуют твердый скелет, состоящий из цементного камня. Этот скелет постепенно воспринимает на себя все большую часть нагрузки, разгружая массу геля, обладающего меньшим модулем упругости, и тем уменьшает нарастание деформаций ползучести. На основании исследований установлено, что деформации ползучести бетона тем значительнее, чем меньше возраст бетона к моменту приложения нагрузки.
Деформации ползучести бетона растут с ростом напряжений в бетоне.
Бетоны невысокой механической прочности с низким значением модуля упругости, тощие бетоны и бетоны с повышенным водоцементным отношением имеют большие показатели пластических деформаций.
Применение высокосортных и глиноземистых цементов, вместо обычных портландцементов, повышение прочности, модуля упругости и правильный подбор гранулометрического состава заполнителя, снижают рост пластических деформаций бетона.
Повышенная влажность окружающей бетон среды повышает прочность и величину модуля упругости бетона и тем самым снижает его пластические деформации.
Деформации ползучести в незначительной степени обратимы. Если удалить нагрузку, вызвавшую явление ползучести бетона, то некоторая небольшая часть пластических деформаций восстанавливается в двух-трехмесячный срок. Эта обратимая часть составляет около 10% от полной величины деформации.
Процесс обратимости деформаций протекает так, что некоторая часть ее восстанавливается немедленно в момент снятия нагрузки, а другая, весьма небольшая часть постепенно восстанавливается в течение длительного срока. Общая величина восстановленной деформации превышает упругую долю полной деформации от нагрузки.
При длительном воздействии постоянной сжимающей нагрузки прочность и модуль упругости бетонных образцов повышаются. Это явление самоупрочнения бетона связано с тем, что при длительном воздействии нагрузки в крупных порах (макропорах) происходит более интенсивное перемещение геля, а следовательно, уплотнение структуры бетона. Это способствует более быстрому окончанию физико-химических процессов превращения геля в более густую и прочную кристаллическую решетку, повышающую прочность бетона и его модуль упругости.
Изучение ползучести бетона в железобетонных конструкциях, особенно в предварительно напряженных, имеет большое практическое значение, так как в ряде случаев вызывает изменение всей картины напряженного состояния.
Стальная арматура обладает модулем упругости, во много раз (в 10—20) превышающим модуль деформации бетона. Когда бетон претерпевает пластические деформации, то прочно сцепленная с ним арматура испытывает только упругие деформации и, воспринимая на себя часть нагрузки, разгружает бетон и тем задерживает развитие деформаций ползучести. Перераспределение напряжений в бетоне и арматуре происходит в течение всего срока развития в бетоне деформаций ползучести.
Было бы неправильным считать, что вследствие деформаций ползучести бетон остается все время недонапряженным и разрушение происходит при исчерпании несущей способности арматуры. В начальный период вследствие деформаций ползучести бетон действительно работает с недонапряжением и на арматуру передается доля нагрузки, превышающая ту се часть, которая должна была бы на нее приходиться из соотношений модулей упругости. Но после достижения сталью предела текучести деформации арматуры также быстро растут. Благодаря этому бетон снова включается в работу, и в момент, близкий к разрушению, напряжения в бетоне и стали одновременно достигают предельных значений.
Сложные явления происходят при воздействии на железобетонные колонны продолжительно действующих нагрузок, близких к разрушающим. В этом случае может оказаться опасным момент снятия нагрузки, когда обратимые деформации арматуры, значительно превосходящие по скорости и величине деформации бетона, могут привести к его разрыву.
В центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементах большое влияние на прочность имеют хомуты или спиральная арматура. Благодаря восприятию ими поперечных растягивающих напряжений и деформаций уменьшаются продольные деформации ползучести бетона и тем отдаляется момент наступления текучести в арматуре.