Деформации ячеистых бетонов при кратковременном действии нагрузки

Методика определения деформации

При кратковременных испытаниях на сжатие призмы из ячеистого бетона влажностью 8—15% загружают ступенями, равными 0,1 ожидаемой разрушающей нагрузки. Под нагрузкой на каждой ступени образец, сак правило, выдерживают от 1 до 15 мин для распределения давления и снятия отсчетов по приборам. Отсчеты снимают сразу после установления нужной ступени нагрузки и через определенные интервалы времени — от 1 до 15 мин.

По этой методике можно установите значения упругих и пластических деформаций бетона на разных ступенях кратковременного загружения (обжатия)


где σ^к_б — напряжение в бетоне на данной степени нагрузки; R^н_пр — призменная прочность (предел прочности при сжатии).

В отдельных случаях опытные образцы нагружают непрерывно до разрушения. При этом длительность испытания призм в зависимости от принятой методики увеличивается от 10—15 сек до 2,5 ч; графики деформаций ячеистобетонных призм приведены на рис. 29.

Испытания проводятся, как правило, на призмах размером от 10X10X30 до 20X20X80 см; за рубежом поперечное сечение призм составляет 7,5X7,5 см. До последнего времени призмы испытывали при влажности бетона 8—15%, однако ГОСТ 12852—67 [25] рекомендует для определения деформаций и прочности ячеистых бетонов испытывать призмы размером 10Х10Х30 см, высушенные до постоянного веса.


Кроме того, призмы из ячеистого бетона испытывают на сжатие с попеременными нагрузкой и разгрузкой ,га каждой ступени нагружения. Испытания призм по этой методике позволяют установить остаточные деформации при различных значениях σ^к_о6ж [21].

Деформации образцов из ячеистого бетона при осевом растяжении определяют на призмах сечением от 25 до 100 см² или на стандартных восьмерках либо при испытании кубов (или цилиндров) на раскалывание [25, 49, 90].

При испытаниях на сжатие и растяжение деформации измеряют при помощи индикаторов часового типа, тензометров и тензодатчиков.

Продольные деформации сжатия

В результате многочисленных испытаний на сжатие ячеисто бетонных призм при кратковременной нагрузке [31, 41, 49, 62, 64, 83, 90] была уточнена диаграмма сжатия ячеистых бетонов (рис. 30).

Из рассмотрения этой диаграммы следует, что до точки А продольные деформации ε^к_б=ε^к_о пропорциональны напряжениям σσ^к_б; точка А соответствует пределу упругости ячеистого бетона σ^к_б=0,6R^н_пр; при напряжениях σ^к_б≤0,6R^н_пр пластические деформации ε^к_пл практически не отмечаются. С повышением напряжения бетона кривая деформаций поднимается вверх до точки В, которой соответствует напряжение бетона σ^к_б=0,85R^н_пр. На участке АВ с повышением напряжения деформации ε^к_пл незначительно возрастают, что связано с развитием в бетоне микротрещин; этот участок диаграммы характеризуется линией, угол наклона которой к оси абсцисс меньше угла наклона линии OА(α₁<α₀).

При дальнейшем повышении напряжения σ^к_б>0,85R^н_пр зависимость между деформациями и напряжениями выражается кривой линией, выпуклой кверху, деформации бетона растут значительно быстрее, чем напряжения. На участке ВС наблюдаются значительные деформации, которые связаны с усиленным развитием в бетоне микротрещин, переходящих в макротрещины.


Точка С соответствует наибольшему значению напряжений σ^к_б=R^н_пр. При напряжении, соответствующем точке D, призма полностью разрушается — напряжения в бетоне ниже, чем R^н_пр. Развитие деформаций на этом участке связано с развитием необратимых макротрещин.

При кратковременных испытаниях призм значения предельных продольных относительных деформаций бетона ε^к_б соответствуют нагрузкам, близким к разрушающим. Величина их колеблется в значительных пределах— от 0,9 до 3 мм/м. Установить четкую зависимость между кубиковой прочностью ячеистого бетона и его предельными деформациями ввиду большого разброса результатов испытаний не удалось.

Опыты показали, что наибольшие предельные деформации отмечаются в бетонах на известковом вяжущем, а наименьшие — на цементном и шлаковом.

На основании проведенных исследований зависимость между относительными напряжениями σ^к_обж=σ^к_б:R^н_пр и относительными деформациями сжатия ε^к_б может быть выражена формулой вида:


где а и b — постоянные величины, зависящие от вида ячеистого бетона, показателен его прочности и объемного веса.

На рис. 31 в качестве примера приведен график продольных деформаций сжатия шведских ячеистых бетонов, поданным испытаний А. Т. Дворядкина [31] и Э. Пуринса [90], которые весьма близки к диаграмме, изображенной на рис. 30.


Момент появления первых микротрещин, невидимых на поверхности бетонного образца, может быть зафиксирован при помощи ультразвука. Такие исследования проводились на образцах из ячеистого бетона Г. А. Тетерсом [76], К. И. Бахтияровым [7] и др.

Испытания Г. А. Тетерса показали, что при нагрузке, равной примерно 0,5 разрушающей, скорость прохождения ультразвука через газобетонный образец, испытываемый на сжатие, начинает падать, что свидетельствует о нарушении структуры газобетона и появлении в нем микротрещин.

На рис. 32 приведены графики деформаций газобетонных призм, которые были испытаны по методике, предусматривавшей разгрузку призмы на каждой ступени предварительного нагружения. Разгрузку производили до начальной нагрузки, соответствовавшей напряжению σ^к_б≈0,055R^н_пр, аналогично с рекомендациями Временной инструкции [21]. Из графика видно, как меняются упругие, пластические и остаточные деформации ячеистого бетона при испытании на сжатие со сбросом нагрузки.

Поперечные деформации растяжения при сжатии

При испытании бетонных призм на одноосное сжатие измеряют не только продольные, но и поперечные деформации. По величине этих деформаций можно судить о пластических свойства, бетона, а также определить момент появления в нем первых трещин.

Поперечные относительные деформации характеризуются коэффициентами μ и ν:


где ε^к_б.п — поперечные полные относительные деформации; ε^к_б — продольные полные относительные деформации;



где Δε^к_б.п — приращение полных поперечных деформаций; Δε^к_б — то же, продольных деформаций.

По величине коэффициента ν О. Я. Берг [9] определяет начальный момент появления микротрещин в тяжелом бетоне. В этом бетоне образование микротрещин наблюдается в тех случаях, когда ν>0,5, что следует из равенства, которое характеризует относительное изменение единичного объема ΔV твердого тела при осевом сжатии:


Если ν<0,5, объем образца уменьшается ΔV<0, если ν=0,5, он не меняется ΔV=0, если ν>0,5, объем образца увеличивается ΔV>0.

Для тяжелых бетонов к моменту обнаружения разрывов величина относительной поперечной деформации составляла в среднем ε^к_б.п=0,1 мм/м, что соответствует средним величинам предельной деформации тяжелого бетона при осевом растяжении.

Дальнейшие исследования показали, что процесс появления микротрещин нельзя представлять мгновенным при достижении значения ν более 0,5. Для тяжелого бетона различают верхнюю условную границу микротрещин и нижнюю границу микроразрушений [10]. При многочисленных испытаниях призм из ячеистых бетонов на одноосное сжатие первые видимые трещины на их поверхности наблюдались при напряжении σ^к_б=(0,8÷1)R^н_пр. Однако потрескивание, свидетельствующее о появлении невидимых микротрещин, отмечалось и при напряжениях σ^к_б≤0,5R^н_пр [76].


Исследования поперечных деформаций, выполненные для различных видов ячеистых бетонов, показали, что при напряжении σ^к_б≤0,5R^н_пр коэффициент поперечных деформаций μ меняется незначительно от 0,18 до 0,22, составляя в среднем 0,2, что и принято в нормативных документах.

Представляют интерес исследования поперечных деформаций, выполненные Э. Пуринсом [90] в Швеции. График зависимости ε^к_бп от N^к (действующей нагрузки) для ячеистых бетонов приведен на рис. 33. Из него видно, что при действии сжимающей нагрузки диаграмма поперечных деформаций газобетона аналогична диаграмме продольных.

Попытка оценить момент появления первых микротрещин в ячеистом бетоне при помощи коэффициентов μ и ν, как это было сделано для тяжелого бетона, не увенчалась успехом.

Графики продольных и поперечных деформаций ячеистых бетонов [51] приведены на рис. 34, а характеристики μ, ν и ΔV — на рис. 35.

Рис. 33. Поперечные деформации шведских ячеистых бетонов >

Рис. 34. Продольные 1 и поперечные 2 деформации ячеистых бетонов >

Рис. 35. Изменение характеристик поперечных деформаций ячеистых бетонов >

Исследования поперечных деформаций ячеистого бетона, проведенные в ЦНИИСК [41], НИИЖБ [51] и ЦНИИСМ ВНР [83], позволили сделать вывод, что коэффициенты μ и ν, а также характер их изменения с повышением напряжения σ^к_б значительно отличаются от аналогичных характеристик, полученных для обычного тяжелого бетона. Очевидно, это объясняется тем, что ячеистый бетон — пористый материал, в межпоровых стенках которого имеются микротрещины При его сжатии продольные деформации могут развиваться за счет уплотнения материала, закрытия микротрещин, а также вследствие разрушения межпоровых стенок. Однако увеличения поперечных размеров (объема) образца да же при напряжениях, близких к пределу прочности бетона, не наблюдается.

Способ, позволяющий определить момент появления микротрещин в ячеистом бетоне путем измерения скорости распространения ультразвука, требует дополнительной опытной проверки, так как пе всегда удается получить положительный результат.

В итоге проведенных исследований были измерены поперечные деформации растяжения ε^к_б.п для различных видов ячеистых бетонов. Для отечественных ячеистых бетонов объемного веса 700—1200 кг/м³ на цементном и шлаковом вяжущем при напряжении σ^к_б=0,5R^н_пр, поперечные деформации составили в среднем 0,14 мм/м, а для бетонов на известковом вяжущем — 0,23 мм/м; при напряжениях, близких к пределу прочности σ^к_б=0,9R^н_пр, поперечные деформации ячеистых бетонов на цементном и шлаковом вяжущем составили в среднем 0,3 мм/м, для бетонов на известковом вяжущем — 0,55 мм/м. Для шведских ячеистых бетонов на цементе (сипорекс на песке) γ_с=400÷650 кг/м³ при σ^к_б=0,5R^н_пр поперечные деформации составили в среднем 0,35 мм/м, а при σ^к_б=R^н_пр — 0,74 мм/м. Для шведских ячеистых бетонов на извести γ_с=650 кг/м³ (итонг белый и голубой) поперечные деформации при σ^к_б=R^н_пр в среднем были равны 0,83 мм/м. Для венгерских ячеистых бетонов на извести γ_с=900÷1000 кг/м³ при σ^к_б=0,5R^н_пр поперечные деформации были в среднем равны 0,18 мм/м, а при σ^к_б=R^н_пр — 0,5 мм/м.

Продольные деформации растяжения

Исследования напряженного состояния тяжелого бетона при одноосном сжатии [9] показали, что сопротивление его отрыву играет основную роль в оценке прочности бетона. Поэтому изучение сопротивления отрыву, которое в основном определяется в опытах на одноосное растяжение, и установление деформации ε^к_б.р, развивающихся при испытании на растяжение, представляют значительный интерес.

Опытных данных но исследованию сопротивления ячеистых бетонов осевому растяжению сравнительно немного. Деформации ячеистых бетонов при осевом растяжении были исследованы в ЦНИИСК [41] ив Институте строительной техники в Гетеборге [31, 90]. Графики деформаций ячеистобетонных призм, по данным различных исследователей, приведены на рис. 36.

Опыты показали, что предельная растяжимость отечественных ячеистых бетонов при σ^к_б.р=0,8R^н_р колеблется от 0,12 до 0,33 мм/м.


Предельные деформации при растяжении для отдельных видов шведского ячеистого бетона в среднем изменялись от 0,35 до 0,43 мм/м, а для некоторых образцов они колебались от 0,27 до 0,51 мм/м.

Сравнение предельных деформаций разрыва ячеистого бетона с предельными поперечными деформациями при осевом сжатии показало, что при напряжении σ^к_б≥0,5R^н_пр поперечные деформации сжатых призм близки по своей величине к значениям предельных деформаций растяжения, полученных при осевом растяжении.

Начальный модуль деформации при сжатии

Значения начального модуля деформаций (упругости) ячеистых бетонов Е^к_б используют для расчета жесткости изгибаемых ячеистобетонных элементов конструкций, а также для вычисления деформаций сжатых элементов. Обычно начальный модуль деформаций определяют испытанием призм на сжатие по диаграмме сжатия σ^к_б—ε^к_б, которая подробно рассмотрена выше.

Многочисленные исследования деформативности ячеистых бетонов при сжатии показали, что их модуль деформаций зависит от объемного веса и прочности на сжатие.

Для определения модуля деформаций ячеистых бетонов выведен целый ряд эмпирических формул. Их анализу посвящено большое количество отечественных и зарубсжных исследований [7, 49, 61, 90, 91]. Численные значении модуля деформаций, определенные по различным формулам, сравнивать трудно, так как они выведены до результатам испытания образцов из различных ячеистых бетонов и, кроме того, опытные образцы имели различные размеры и влажность.

Формулы для определения модуля деформаций можно разделить на три группы:

формулы, в которых модуль деформации представлен как функция прочности бетона при сжатии.


формулы, в которых модуль деформаций представлен как функция объемного веса


формулы, в которых модуль деформаций представлен в зависимости от прочности и объемного веса.

По данным наших исследований отечественных ячеистых бетонов, модуль деформаций Е^к_б вполне удовлетворительно может быть определен по формуле


Для определения Е^к_б зарубежных ячеистых бетонов можно привести формулу Э. Пуринса [64], выведенную на основании многочисленных испытаний призм:


Значения модулей деформаций, определенные на образцах-призмах размером 20X20X80 см, приведены в табл. 29. Величина Е^к_б в этой таблице вычислена по формуле

Модуль деформаций при растяжении

Исследования модуля деформаций ячеистых бетонов при растяжении проводили как в Советском Союзе [41], так и за рубежом [64, 90]. Как установлено проведенными исследованиями, модуль деформаций ячеистых бетонов при осевом растяжении Е^к_б.р в среднем на 20—40% выше модуля деформаций при сжатии Е^к_б при одинаковом объемном весе и прочности.

Прочность и деформации ячеистых бетонов при различной влажности

Прочность ячеистых бетонов при сжатии, растяжении, изгибе и срезе зависит от свободного содержания в них влаги. С уменьшением количества воды прочность повышается. Зависимость между прочностью при сжатии R_w и содержанием влаги W (рис. 37) выражается следующими формулами [41, 89]:


Влияние влажности ячеистых бетонов на прочность при сжатии, по данным Э. Пурниса [90], показано на рис. 38.

При определении прочности на сжатие влажного ячеистого бетона рекомендуется вводить понижающие поправочные коэффициенты (табл. 30) для расчета сжатых элементов. В порядке первого приближения можно распространить их также на расчет при растяжении, изгибе и срезе.


При промежуточных значениях влажности поправочные коэффициенты определяют интерполяцией. Расчетные значения влажности ячеистых бетонов для ограждающих конструкций (стен, перекрытий и покрытий) приведены ранее. Коэффициент размягчения ячеистого бетона после насыщения его водой равен 0,7—0,8 для цементных и 0,5—0,6 для других видов ячеистых бетонов.

Выше отмечалось, что деформации и модули деформации ячеистых бетонов в ряде случаев определяют на высушенных образцах, однако известно, что в процессе эксплуатации конструкции работают при определенной влажности. Поэтому необходимо установить влияние влажности на деформации и модуль деформаций ячеистого бетона. Такие исследования были проведены в Советском Союзе [33, 35], а также за рубежом [31, 81, 90].

По данным В. П. Клодченко [33], модуль деформаций отечественных ячеистых бетонов с увеличением влажности уменьшается, что отчетливо видно из рис. 39.

Рис. 37. Влияние влажности на прочность при сжатии отечественных ячеистых бетонов >

Рис. 38. Влияние влажности на прочность при сжатии шведских ячеистых бетонов >

Рис. 39. Влияние влажности из модуль деформаций отечественных ячеистых бетонов >

В опытах Э. Пуринса установлено влияние влажности на деформации бетона. Наибольшие предельные деформации имеют бетоны в высушенном состоянии. Увеличение влажности бетона до полного насыщения снижает его предельные деформации в среднем на 10—20%.

Модуль деформаций ячеистого бетона с увеличением влажности уменьшается. В качестве примера на рис. 40 приведены графики изменения модуля деформации шведских ячеистых бетонов с увеличением их влажности. Из этих графиков следует, что сухой материал обладает наиболее высоким модулем деформаций. С увеличением влажности модуль деформаций резко снижается; особенно ощутимо это снижение при возрастании влажности до 2—3% (по объему). При дальнейшем увеличении влажности модуль деформаций ячеистого бетона на цементном вяжущем практически не меняется. Кривые модуля деформаций ячеистого бетона на извести продолжают снижаться даже при влажности, превышающей 2—3% по объему. Общее снижение модуля деформаций при переходе от сухого бетона к насыщенному водой меняется для отдельных видов бетона в среднем в пределах от 10 до 20%.

Исследования показали, что небольшое увеличение влажности бетона (от 2 до 3%) резко снижает его прочность на сжатие; это снижение составляет 60—80% общего снижения прочности на сжатие, наблюдаемого при переходе от сухого бетона к насыщенному водой. При переходе от прочности сухих образцов к прочности водонасыщенных отмечается общее снижение прочности ячеистого бетона на сжатие от 20 до 50%. Разность в прочности сухих и влажных материалов обычно объясняют изменениями в цементном геле ячеистого бетона, насыщенного водой.

Английские исследователи Бесси и Дилнот [81] считают, что основное влияние на прочностные характеристики ячеистого бетона оказывает вода, заполняющая гелевые поры; вода, заполняющая макропоры, на прочность при сжатии влияет незначительно. Снижение прочности на сжатие объясняется ослаблением цементного геля при адсорбции им воды.

Исследования [33, 35, 90] показали, что с увеличением влажности ячеистого бетона снижаются его прочность и деформации, однако прочность снижается в большей степени, что и приводит к уменьшению его модуля деформации. Поэтому понижающие коэффициенты K_w следует учитывать при назначении не только прочностных, но и деформативных характеристик ячеистых бетонов.

Большие исследования по определению прочностных и деформативных свойств газосиликата при действии повышенной влажности выполнены Ю. В. Кореневым, который установил влияние влажности на прочность и деформации газосиликатов (при различных силовых воздействиях) [35].