Воздействие температуры на бетон

Значение трещиностойкости

Основной недостаток обычного (без предварительного напряжения) железобетона – низкая трещиностойкость вследствие малой растяжимости бетона. Трещины в растянутых зонах могут появляться при нагрузках даже ниже эксплуатационных.

Между тем, трещиностойкость существенно влияет на долговечность ЖБК. Поэтому весьма важным является вопрос – при каких напряжениях в арматуре появляются первые трещины в растянутом бетоне. Ответить на него можно путем следующих несложных рассуждений.

До появления трещин деформации растянутого бетона e_bt равны деформациям арматуры e_s (на уровне контакта бетона с арматурой) вследствие сцепления, поэтому можно записать

e_bt = e_s = . (5.1)

Так как при таких малых деформациях арматура работает еще вполне упруго, то напряжения в ней по закону Гука с учетом (5.1)

(5.2)

где a = E_s / E_b – коэффициент приведения арматуры к бетону, показывающий, что каждую единицу площади сечения арматуры можно условно приравнять a - единицам площади бетона и привести материал арматуры к материалу бетона, т.е. получить приведенное сечение;

– коэффициент упругих деформаций бетона при растяжении.

Перед образованием трещин напряжения в растянутом бетоне достигают предельных значений = R_btu, а коэффициент упругости n_t = 0,5. Подставляя эти значения в (5.2), получим выражение для напряжений в арматуре в момент образования трещин в бетоне

, (5.3)

что соответствует, например, для арматуры класса А500 и бетона класса В25 напряжениям 20,7 МПа; за счет ползучести бетона и соответствующего снижения модуля упругости E_b эти напряжения могут увеличиться до 30…40 МПа. Все равно это составляет всего около 10% и менее от предела текучести наиболее массовой арматуры классов А400, А500. Нагрузка в момент образования трещин обычно составляет 15…25% разрушающей.

С увеличением нагрузки идет активный процесс раскрытия образованных трещин и развития их по высоте сечения. Вследствие этого быстро уменьшается высота сжатой зоны, что резко (до 5 раз) снижает приведенный момент инерции сечения I_red, а следовательно, и жесткость балки – резко возрастают прогибы.

Опыт эксплуатации ЖБК без предварительного напряжения показал, что при ширине раскрытия трещин более 0,4 мм возможна коррозия арматуры.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при ширине раскрытия трещин 0,4 мм напряжения в растянутой гладкой арматуре достигают 250…300 МПа, а в арматуре периодического профиля – 500…590 МПа (за счет лучшего сцепления арматуры с бетоном), что соответствует пределу текучести арматуры классов А500, А600. Поэтому в обычных ЖБК (без предварительного напряжения) невозможно рационально использовать арматуру с пределом текучести выше 590 МПа, т.е. классов выше А600, что и оговаривается в нормах. Это неприятное обстоятельство, поскольку удельная стоимость высокопрочных сталей растет гораздо меньше, чем их прочность, а потому с экономической точки зрения использование высокопрочных сталей более целесообразно.

Чтобы не допустить коррозию арматуры и не снизить долговечность конструкции, ширина раскрытия трещин в период эксплуатации ЖБК ограничивается нормами. Предельно допустимая ширина раскрытия трещин устанавливается в зависимости от условий работы конструкции, вида арматуры, продолжительности действия нагрузки и не должна превышать 0,3 мм при длительном раскрытии и 0,4 мм – при непродолжительном (для арматуры классов А240-А600).

2. Сцепление арматуры с бетоном.Под сцеплением понимается непрерывная связь по поверхности контакта между бетоном и арматурой, обеспечивающая их совместную надежную работу. В силу этого сцепление рассматривается как одно из фундаментальных свойств железобетона.

Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротивлением выдергиванию (рис. 32, а) или вдавливанию (рис. 32, б) стержней, заделанных в бетон.

Рис. 32. Схемы испытаний при изучении сцепления арматуры с бетоном:

а – на выдергивание; б – на вдавливание

Прочность сцепления при выдергивании арматуры из бетона обусловливается рядом факторов, основными из которых являются:

- склеивание арматуры с бетоном вследствие клеящей способности цементного геля - обеспечивает ~ 20…25 % всей прочности сцепления;

- зацепление за бетон неровностей и выступов на поверхности арматуры - обеспечивает 70…80 % всей прочности сцепления; сопротивление выдергиванию арматуры периодического профиля в 2-3 раза выше, чем гладкой.

Экспериментальные исследования сцепления чаще всего проводят путем выдергивания стержней из бетона (рис. 32, а, 33а). Растягивающее усилие N передается с арматуры на бетон посредством касательных напряжений сцепления t, которые по длине заделки стержня l_an распределяются неравномерно (рис. 33, б). Максимальное значение

напряжений сцепления t_max не зависит от длины l_an, а протяженность эпюры напряжений t меньше фактической длины l_an. Среднее значение напряжений сцепления

t_m = N / (pdl_an) (5.4)

составляет для обычных бетонов 2,5…4 МПа для гладкой арматуры и ~7 МПа для арматуры периодического профиля. С повышением прочности бетона несколько возрастают и напряжения t_m..

Из (5.4) можно найти достаточную (эффективную) длину заделки стержня в бетоне, если выдергивающее усилие N выразить через напряжения в арматуре (т.е. N = s_sA_s = s_spd²/4):

l_an = N / (t_mpd) = s_spd² / (4t_mpd) = s_sd / (4t_m). (5.5)

Следовательно, достаточная длина заделки стержня (зона анкеровки) зависит от прочности и диаметра арматуры (s_s, d) и прочности бетона (t_m). Для уменьшения l_an (с целью экономии металла) рекомендуется ограничивать диаметр растянутых стержней, повышать прочность бетона, применять арматуру периодического профиля.

2. Анкеровка арматуры в бетоне.Анкеровка – это закрепление концов арматуры в бетоне. Обеспечивается либо силами сцепления (для арматуры периодического профиля), либо устройством крюков или иных анкерных устройств на концах гладкой арматуры (рис. 34).

Рис. 34. Анкеровка ненапрягаемой арматуры в бетоне:

а – сцеплением прямых стержней с бетоном; б – крюками и лапками (для гладких растянутых стержней);

в – петлями; г – приваркой поперечных стержней; д – специальными анкерами; е – на крайних свободных

опорах плит; ж – то же, балок

Ненапрягаемую арматуру периодического профиля заводят за нормальное к продольной оси элемента сечение, в котором она учитывается с полным расчетным сопротивлением, на длину зоны анкеровки l_an (рис. 34, определяемую следующим образом.

Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления R_s на бетон, определяют по формуле

(5.6)

где A_s и u_s - соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;

R_bond - расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле

R_bond = η₁η₂R_bt (5.7)

здесь η₁- коэффициент, учитывающий влияние видаповерхности арматуры, принимаемый равным:

1,5 - для гладкой арматуры (класса А240);

2,0 - холоднодеформируемой арматуры периодического профиля (класса В500)

2,5 - для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры периодического профиля (классов A300, А400 и А500);

η₂ - коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:

1,0 - при диаметре арматуры d_s ≤ 32мм;

0,9 - при диаметре арматуры 36 и 40 мм.

Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле

, (5.8)

где l_o,an - базовая длина анкеровки, определяемая по формуле (5.1);

A_s,cal, A_s,ef - площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету с полным расчетным сопротивлением и фактически установленная;

а - коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.

При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают, а = 1,0 , а для сжатых - а = 0,75 .

Для повышения прочности сцепления и уменьшения длины l_an устанавливают сетки косвенного армирования, дополнительные хомуты, увеличивают защитный слой и т.п.

Если фактическая длина заделки меньше вычисленной по (5.8), то на концах стержней устраивают различного рода анкера (приваренные гайки, пластины, поперечные стержни, коротыши и т.п.).

3. Усадка железобетона.Стальная арматура вследствие сцепления ее с бетоном является внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона (по опытным данным усадка и набухание железобетона до двух раз меньше, чем свободная усадка и набухание бетона). В результате в железобетонной конструкции возникают начальные собственные самоуравновешенные напряжения – растягивающие в бетоне и сжимающие в арматуре.

Разность деформаций свободной усадки бетона e_sh и усадки железобетона e_{sh, s} можно рассматривать как удлинение бетона на величину e_bt (рис. 35)

e_bt = e_sh - e_{sh, s} (5.9)

что вызывает растягивающие напряжения в бетоне

s_bt = e_bt = e_btnE_b .(5.10)

В самоуравновешенной системе растягивающеее усилие в бетоне должно быть равно сжимающему усилию в арматуре, т.е.

s_btA_b - s_sA_s = 0 или s_btA_b = s_sA_s., (5.11)

откуда s_bt = s_s = s_sm_s и s_s = s_bt / m_s.(5.12)

Деформации можно выразить через напряжения

e_bt = s_bt /nE_b и e_s = s_s / E_s = s_bt / m_sE_s; (5.13)

тогда из (5.9)

откуда

s_bt = (5.14)

где a = E_s /E_b.

Следовательно, при усадке ж/б растягивающие напряжения в бетоне зависят от деформации свободной усадки бетона, коэффициента армирования и класса бетона. С увеличением содержания арматуры увеличиваются и растягивающие напряжения в бетоне от усадки и при определенном значении m_s они достигнут R_bt и возникнут усадочные трещины. Граничное значение m_s, при котором образуются усадочные трещины, можно получить из (5.14).

Приведенные рассуждения основаны на предположении о равномерной усадке по всему сечению элемента. Реально усадка неравномерна и возрастает у поверхности конструкции, отчего и могут появиться усадочные трещины (кроме того, еще и процент армирования влияет). Поэтому в сильно армированных конструкциях, эксплуатируемых на открытом воздухе, применяют специальную противоусадочную арматуру в виде сеток, располагаемых у поверхности конструкции на глубине защитного слоя. В обычных конструкциях следует соблюдать конструктивное требование: расстояния между стержнями арматуры, расположенными у граней элемента, не должны превышать 400 мм. Это обусловлено тем, что растягивающие напряжения в бетоне от усадки будут наибольшими в зоне контакта с арматурой и наименьшими между стержнями; тогда при расстояниях между стержнями более 400 мм неравномерность растягивающих напряжений оказывается весьма значительной и приводит к образованию трещин.

В статически определимых железобетонных конструкций усадка не вызывает дополнительных усилий, а только раннее появление трещин, и не влияет на несущую способность.

В статически неопределимых конструкциях лишние связи препятствуют усадке железобетона, вызывая дополнительные внутренние усилия. Определить эти усилия можно расчетом на температуру обычными методами строительной механики. Действительно, влияние усадки эквивалентно понижению температуры. Если принять среднюю величину усадки тяжелого бетона e _{sh, s} » 15×10^-5, то при коэффициенте линейной температурной деформации a_t = 1×10^{-5 °} С^-1 это будет эквивалентно понижению температуры на 15° С.

Ползучесть железобетона

Как и при усадке, арматура сдерживает свободные деформации ползучести. В результате с течением времени в железобетонных конструкциях происходит перераспределение напряжений (усилий) между бетоном и арматурой. Причем, в одних случаях это благоприятно отражается на работе конструкции, в других – неблагоприятно.

Так, в центрально сжатых железобетонных колоннах с течением времени напряжения в бетоне вследствие ползучести уменьшаются, а в продольной арматуре увеличиваются. Когда же напряжения в арматуре будут близки к пределу текучести и деформации ее начнут возрастать, начнется обратное перераспределение – в бетоне напряжения будут возрастать, а в арматуре – уменьшаться. Результатом перераспределения будет полное исчерпание прочностных свойств бетона и арматуры, т. е. повышение несущей способности.

В предварительно напряженных конструкциях ползучесть приводит к уменьшению предварительных напряжений в бетоне и арматуре, что снижает трещиностойкость и жесткость конструкций.

Количественный анализ перераспределения усилий при ползучести можно дать исходя из следующих соображений:

- в любой момент времени соблюдается условие равновесия

Sy = 0 Þ N = s_bcA_bc + s_scA_s;(5.15)

- деформации арматуры и окружающего бетона одинаковы вследствие сцепления и равны

e_sc = e_bc = (5.16)

- из (5.16) выразим напряжения в арматуре

= , (5.17)

Подставляя (5.17) в (5.15) и обозначая m = A_s / A_b, получим

. (5.18)

Коэффициент упругости в то же время неупругие деформации = , т.е. коэффициент упругости зависит и от времени действия нагрузки, и от уровня нагружения – с течением времени при N = const коэффициент n уменьшается (т.е. уменьшается доля упругих деформаций). Следовательно, напряжения s_b со временем уменьшаются, а напряжения s_sc по условию (5.15) увеличиваются.

Если сжатый элемент, длительное время находившийся под нагрузкой, мгновенно разгрузить, то он остается в напряженном состоянии – в бетоне возникают растягивающие напряжения, а в арматуре сжимающие. В результате после разгрузки элемента в нем могут появиться поперечные трещины. Все это результат того, что остаточные пластические (невосстанавливающиеся) деформации бетона тормозят (препятствуют) восстановление упругих (полностью восстанавливающихся) деформаций арматуры.

Релаксация напряжений.Под релаксацией понимается уменьшение (рассасывание) напряжений при неизменном уровне деформаций. Так, если в железобетонном образце создать начальные сжимающие напряжения и соответствующие деформациям , а затем зафиксировать эту деформацию путем постановки связей, препятствующих любому дальнейшему деформированию (т.е. l = const), то окажется, что с течением времени напряжения в бетоне уменьшатся

уменьшится и реакция поставленных связей

. (5.19)

Это происходит потому, что коэффициент упругости с течением времени уменьшается (уменьшается доля упругих деформаций).

Воздействие температуры на бетон

В диапазоне температур до +50С различие коэффициентов температурного расширения бетона и арматуры практически не проявляется.

При длительном воздействии технологических температур 60…200С прочность бетона снижается ~ на 30%.

При воздействии на обычный бетон температур до 500…600С вполне возможно его разрушение. Основная причина в том, что при температурах свыше 300С объемные деформации цементного камня и заполнителей меняются по величине и знаку: в цементном камне они достигают максимума при температуре ~ 300С и затем уменьшаются, а в заполнителе увеличиваются и максимум достигается при температуре ~ 500С. Резкая разница в деформациях ЦК и заполнителей вызывает внутренние напряжения, разрывающие ЦК, что снижает механическую прочность бетона. Кроме того, увеличивается в объеме свободная известь, которая выделяется при дегитратации минералов клинкера и гасится влагой воздуха. Все это приводит к разрушению бетона.

Поэтому в таких конструкциях применяют специальный жаростойкий бетон, в котором заполнители имеют коэффициент температурного расширения близкий к таковому для ЦК.