Деформативные свойства легких бетонов

Легкие бетоны при одинаковой с тяжелыми прочностью имеют относительно низкий модуль упругости вследствие повышенной деформативности пористых заполнителей. Это одна из наиболее существенных особенностей легких бетонов, которая в зависимости от области их применения и условий работы в конструкциях и сооружениях может играть отрицательную или положительную роль.

При статически приложенной нагрузке и использовании бетона в несущих конструкциях, которые рассчитаны на действие продольного изгиба (колонны, стойки), пониженный модуль упругости ухудшает качество бетона, Так, при равных напряжениях деформативность конструкций из легких бетонов, например прогиб плиты перекрытия, может превышать деформации той же конструкции из тяжелого бетона в 1,5—2 раза.

При действии динамически приложенной нагрузки, испытываемой конструкциями, эксплуатирующимися в сейсмических районах, а также аэродромными и дорожными покрытиями, надежность которых в значительной степени определяется скоростью затухания динамического импульса, пониженный модуль упругости легких бетонов оказывает положительное влияние на работу сооружений.

Начальный модуль упругости бетонов на плотных заполнителях равен в зависимости от марки бетона 200 000—400 000 кгс/см2 а бетонов на пористых заполнителях 50 000—200 000 кгс/см2. Нa величину модуля упругости легкого бетона, кроме прочности, существенное влияние оказывают свойства пористого заполнителя.

И.Н. Ахвердов, М.З. Симонов, И.И. Улицкий, Г.Д. Цискрели, Т. Хансен и другие исследователи установили, что модуль упругости легких бетонов зависит от упругих характеристик заполнителя, растворной части и их относительного количества в объеме бетона.

R первом приближении модуль упругости легкого бетона может быть рассчитан по формуле М.З. Симонова, выведенной с учетом наиболее часто применяемых составов легкого бетона, в которых объемы цементного камня и заполнителя принимаются равными соответственно 0,3 и 0,7 объема бетона.

Для расчетов по рассмотренной формуле требуется знать модуль упругости отдельных зерен заполнителя. Его определяют на образцах-призмах, выпиленных из зерен аглопорита, шлаковой пемзы, или на гранулах керамзита.

Рассмотрим одну из характерных диаграмм, показывающую зависимость между напряжениями и деформациями аглопорита при ступенчатом приложении сжимающей нагрузки (рис. 4.8). Различное положение кривой на отдельных участках диаграммы напряжение— деформация указывает на то, что модуль упругости аглопорита, так же как и бетона, величина переменная.

Hаличие горизонтальных участков на кривой свидетельствует о значительных пластических деформациях зерен аглопорита при их нагружении. По величине относительных деформаций в продольном и поперечном направлениях и соответствующим напряжениям находят основные характеристики деформативных свойств пористых заполнителей. Для аглопорита объемной массой в куске 760—900 кг/модуль упругости при сжатии составляет от 35 000 до 50 000 кгс/см2, коэффициент Пуассона — от 0,18 до 0,26, Приведенная величина модуля упругости в значительной степени занижена. Это объясняется наличием у аглопорит а большого числа относительно крупных пор, в том числе и выходящих на поверхность. В бетоне за счет кольматации пор цементным камнем заполнитель упрочняется и его модуль упругости повышается.

В отличие от аглопорита гранулы керамзита более существенно различаются по объемной массе, В зависимости от свойств сырья и технологии производства объемная масса зерен керамзита колеблется от 500 до 1400 кг/м3. Соответственно изменяются и деформативные характеристики. Показатели их, по данным НИИЖБ и Пензенского инжетерно-строительного института, приведены в табл. 4.4.

Хотя цементный камень и пористый заполнитель имеют, как правило, различные модули упругости, деформации их в зоне контакта до нарушения целостности легкого бетона одинаковы. Таким образом, можно написать равенство

Это значит, что распределение напряжений между цементным камнем и заполнителем пропорционально их модулям упругости. При прочих равных условиях напряжения будут перераспределяться но мере роста модуля упругости заполнителя или цементного камня. Естественно, что при этом будут меньшими и суммарные деформации легкого бетона и выше его модуль упругости.

Подавляющее большинство заполнителей для легкого бетона имеют более пористое строение и меньший модуль упругости, чем окружающий их цементный раствор, вследствие этого в них развиваются и большие относительные деформации. Вместе с тем в зоне контакта из-за хорошего сцепления заполнителя с раствором величины их деформаций равны. Однако это не означает, что и развивающиеся напряжения в заполнителе и цементном камне равны. Поскольку напряжения пропорциональны модулям упругости материалов, то они должны быть различны, концентрация же их наблюдается в более упругой растворной части. По мере удаления от поверхности сцепления напряжения в заполнителе и растворе не остаются первоначальными, а изменяются в соответствии с криволинейным очертанием их эпюр. В связи с этим неравномерность распределения напряжений по сечению бетона еще более возрастает.

Таким образом, деформативные свойства легких бетонов и деформации цементного камня и пористого заполнителя определяются в значительной степени соотношением модулей упругости этих двух его компонентов. Как следует из рис. 4.9, а, в том случае, когда модуль упругости заполнителя значительно больше, чем у цементного камня (в первую очередь это свойственно тяжелым бетонам), деформации компонентов почти во всем диапазоне напряжений носят линейный характер. Нелинейный же характер диаграммы самого бетона объясняется многочисленными микродефектами на участке поверхности между крупным заполнителем и цементным камнем, а также и микродефектами последнего.

В легких бетонах модуль упругости заполнителя значительно меньше, чем у цементного камня. Как видно из рис. 4.9, б, в этом случае заполнитель деформируется сильнее, чем цементный камень. Однако, учитывая высокую степень срастания цементного камня с заполнителем, растворная часть будет выполнять роль обоймы, в которой неизбежно возникнут растягивающие напряжения.

По мере возрастания сжимающей нагрузки деформации пористого заполнителя в бетоне интенсивно увеличиваются. Однако его разрушение от действия растягивающих напряжений в поперечном направлении происходит постепенно, поскольку деформации в окружающем цементном растворе в этот момент значительно меньше, чем в самом зерне заполнителя.

Как следует из рис. 4.10, при начальных, весьма малых напряжениях (0,1 от разрушающих) у аглопорита и цементного камня деформации примерно одинаковы. По мере увеличения растягивающего напряжения аглопорит деформируется значительно больше, чем цементный камень. При напряжениях, близких к разрушающим, величина деформаций в поперечном направлении может различаться в 2—3 раза, а у керамзита даже больше.

По данным Р.К. Житкевич, Л.С. Пивень и И.А. Иванова, при действии на керамзитобетон сжимающей осевой нагрузки в контактной зоне возникают только сжимающие радиальные напряжения, при которых зерно керамзита работает как всесторонне обжатое тело повышенной прочности, Наиболее однородное распределение напряжений в объеме бетона достигается в идеальном случае, когда модули упругости заполнителя и цементного камня равны. При таком оптимальном варианте в максимальной степени используются деформативные свойства отдельных компонентов бетона.

В практических условиях трудно, а зачастую и невозможно определить деформативные характеристики отдельных компонентов легкого бетона. Поэтому в соответствии со СНиП начальный модуль упругости находят по таблице в зависимости от проектной марки бетона и его объемной массы,

В основу этой зависимости положена формула, выведенная В.Г. Довжиком на основе обобщения результатов отечественных и зарубежных исследований и статистической обработки данных многочисленных испытаний легких бетонов разных марок, приготовленных на различных заполнителях и характеризующихся различной структурой:

Предельная растяжимость и сжимаемость. Чем выше величина предельных деформаций бетона под действием соответственно растягивающих или сжимающих напряжении (предельная растяжимость или сжимаемость), тем в большей степени может деформироваться бетон без образования трещин. Предельная растяжимость легких бетонов примерно в 2 раза больше, чем тяжелых, и колеблется от 1,1 до 0,3 мм/м. Она предопределяет повышенную трещиностойкость легких бетонов. Предельная растяжимость тем выше, чем выше марка бетона и больше деформативность заполнителя. Последняя в значительной степени определяется дефектами, которые возникают в процессе производства.

Микротрещины, появляющиеся при обжиге и особенно при резком охлаждении, дефекты в оболочке зерна снижают предельную растяжимость керамзита. Это является причиной того, что между объемной массой зерна заполнителя и прочностью его на разрыв не наблюдается четкой зависимости.

В работах Г.И. Горчакова показано, что предельная растяжимость керамзитобетона зависит от расхода цемента и гранулометрического состава заполнителей (рис. 4.11).

Максимальная растяжимость пропаренного керамзитобетона наблюдается при расходе цемента 400— 600 кг/м3. По мере дальнейшего увеличения количества цемента предельная растяжимость снижается, хотя прочность бетона на растяжение продолжает незначительно возрастать (см. рис. 4.11, кривая 2).

При нахождении затвердевшего бетона в воде предельная растяжимость его возрастает в 2 раза. При этом прочностные свойства существенно улучшаются, что позволяет эффективно использовать легкие бетоны в производстве напорных труб.

Предельная сжимаемость легких бетонов колеблется от 1,2 до 2,1 мм/м. По данным АИСМ, с повышением марки бетона предельная сжимаемость меняется в небольших пределах (рис. 4.12). Предельная сжимаемость зависит также от характера структуры бетона и от соотношения модулей упругости цементного камня и заполнителя. Армирование значительно увеличивает предельную сжимаемость легких бетонов.

Коэффициент Пуассона, или отношение величины поперечных деформаций к продольным, для легких бетонов принимается в пределах от 0,15 до 0,25 и мало отличается от значении, нормируемых для тяжелых бетонов.

Границы образования микротрещин. Согласно теории трещинообразования бетона О.Я. Берга, критические моменты разрушения бетона характеризуются двумя параметрическими точками; Rт0 — нижняя граница микроразрушений; Rтv — верхняя граница микроразрушений.

По мере нагружения бетона и увеличения действующих напряжений продольные и поперечные деформации изменяются по-разному. На первом этапе продольные деформации возрастают быстрее, чем поперечные, поэтому объем бетона несколько уменьшается — бетон как бы уплотняется. Окончание этого этапа характеризуется достижением параметрической точки Rт0.

На втором этапе процесс микроразрушения резко интенсифицируется, поперечные деформации возрастают быстрее, чем продольные, и объем бетона начинает увеличиваться. Наступает период разуплотнения. Вскоре после достижения параметрической точки Rтv происходит разрушение материала.

В легких бетонах процесс, микроразрушения начинается, как правило, при более высоких относительных напряжениях, чем в тяжелых. Так, М.М. Израелит отмечает, что в аглопоритобетоне параметрической точке соответствуют относительные напряжения 0,58 от разрушающих, а в бетоне на гранитном щебне — соответственно 0,47 от разрушающих.

По данным Ю.Д. Нациевского и Пензенского инженерно-строительного института, процесс разрушения керамзитобетона при сжатии протекает несколько иначе, чем у аглопоритобетоне. По мере нагружения керамзитобетона, а следовательно, и повышения уровня напряжения этапы уплотнения и разуплотнения структуры могут неоднократно чередоваться. Одной из причин этого явления может быть первоначальное напряженное состояние гранул керамзита, возникающее при их резком охлаждении.