Прочность и деформации ячеистых бетонов при длительном действии сжимающей нагрузки

Методика испытаний

Элементы из автоклавных ячеистых бетонов широко применяют для наружных и внутренних стен, а также покрытий. Эти конструкции подвергаются длительному действию нагрузки, поэтому исследования возникающих деформаций и прочности ячеистых бетонов представляют не только научный, но и практический интерес. Ниже приводятся результаты испытаний, выполненных в ЦНИИСК и НИИЖБ Госстроя СССР и в ряде других организаций.

Прочность и деформации ячеистых бетонов при длительном действии нагрузок исследованы в значительно меньшей степени, чем при кратковременных. Данные по длительным испытаниям ячеистых бетонов объемного веса от 500 до 1200 кг/м³ с кубнковой прочностью (контрольной характеристикой) от 25 до 250 кгс/см² приведены в работах [12, 19].

Испытания ячеистобетонных призм размерами 15Х15X60 и 20X20X80 см проводили по следующей методике. Опытные образцы испытывали по сериям. Каждая серия состояла из трех групп призм:

• I группа — эталонные, испытывавшиеся в прессе при действии кратковременной нагрузки для определения призменной прочности R^э_пр перед началом испытаний при длительной нагрузке;
• II группа — основные, для определения R^о_пр испытывавшиеся в пружинных установках при длительной нагрузке (относительном длительном напряжении σ^д_обж=σ^д_б от 0,2 до 0,85 ожидаемой разрушающей постоянное длительное напряжение в бетоне);
• III группа — контрольные, для определения R^к_пр, на которых измеряли температурные и усадочные деформации во времени.

При испытаниях деформации основных и контрольных призм измеряли периодически через 1, 3, 5, 10, 15 и 30 суток, а затем один раз в месяц.

Изменение кубиковой и призменной прочности во времени

В ЦНИИСК и НИИЖБ были проведены испытания на сжатие контрольных кубов с ребром 10 см из автоклавных ячеистых бетонов на цементном и шлаковом вяжущих. Объемный вес бетона в сухом состоянии γ₀=1000÷1100 кг/м³, кубиковая прочность R_c=100÷150 кгс/см². Кубы хранили в лаборатории при температуре 18—22°С и относительной влажности воздуха 40—60%; испытывали на сжатие по три куба-близнеца при естественной влажности через 10, 20, 30, 60, 90, 180, 360 суток и далее через 1—3 года. В результате испытаний устанавливали кубиковую прочность ячеистого бетона в сухом состоянии R_c в возрасте до 30 суток и при естественной влажности R_е.в в различном возрасте.


Средние опытные данные испытаний кубов приведены на рис. 41.

В течение первых трех месяцев кубиковая прочность увеличивается в среднем примерно на 25%, при этом влажность кубов из ячеистого бетона уменьшается с 15—20 (по весу) до 8—10%. После стабилизации влажности в пределах 8—10% кубиковая прочность практически не меняется в течение 15 лет.

Кроме контрольных кубов испытывали эталонные и контрольные призмы при кратковременном сжатии и определяли коэффициенты призменной прочности К_п.п=R^н_пр:R_с. ячеистобетонные призмы были испытаны на сжатие в возрасте от 15 суток до 6,5 лет. Испытания показали, что коэффициенты призменной прочности образцов, испытанных как в возрасте 15—30 суток, так и более 6 лет, оказались практически одинаковыми: К_п.п=R^н_пр:R_с=0,7.

Таким образом, у эталонных и контрольных призм, выдержанных в лабораторных условиях без нагрузки в течение 6,5 лет, уменьшения прочности практически не произошло.

Изменение модуля деформаций

По деформациям призм ε^к_б, измеренным при напряжении σ^к_б=0,2R_пр, были вычислены начальные модули деформаций (упругости) бетона: Е_б=σ^к_б:ε^к_б.

Сравнение начальных модулей деформаций, полученных при кратковременном действии нагрузок в прессе эталонных Е^э_б, основных Е^о_б и контрольных Е^к_б призм, находившихся 5—6 лет под длительным обжатием σ^д_обж<0,4, показало, что они близки по величине: Е^э_б=Е^к_б=Е^о_б.

К аналогичному выводу о постоянстве модуля упругости автоклавного газосиликата пришли В И. Скатынский и Ю. В. Крумелис [73].

Однако начальные модули деформации Е^о_б основных призм, загруженных 5—6 лет нагрузкой σ^д_обж≥0,4, меньше начальных модулей деформаций эталонных и контрольных призм.


Снижение начального модуля деформаций длительно загруженных основных призм, видимо, было вызвано развитием в них микротрещин. Наличие же микротрещин может привести не только к снижению прочности при сжатии ячеистого бетона, по и к значительному повышению его деформативности.

Длительная прочность ячеистого бетона

Длительная прочность ячеистого бетона определяется максимальным напряжением σ^д_б, которое может воспринять бетой при длительном действии статической нагрузки.

В опытах ЦНИИСК длительную прочность ячеистого бетона устанавливали по величине обжатия основных призм σ^д_б, при котором они разрушались в пружинных установках. Для оценки длительной прочности ячеистобетонных призм введен коэффициент длительной прочности m_дл=σ^д_б:R^э_пр.

Основные призмы, изготовленные из различных видов ячеистого бетона, испытывали при обжатии 0,2≤σ^д_обж≤0,85. Опыты показали, что при обжатии 0,2≤σ^д_обж≤0,5 не было случаев разрушения их в течение 5—6 лет.

Длительные испытания основных призм, обжатых нагрузкой 0,5≤σ^д_обж≤0,85, показали, что с течением времени их несущая способность может снижаться; в некоторых призмах появились микро- и макротрещины, а часть призм разрушилась.

Из результатов испытании призм [42] следует, что для призм, загруженных σ^д_обж≤0,5 в течение 5—6 лет, коэффициент длительной прочности m_дл=1. Для призм, загруженных при нагрузках 0,6≤σ^д_обж≤0,85, m_дл ячеистых бетонов на цементном вяжущем близок к 0,7, а на известковом — к 0,6.

Учитывая большой разброс показателей прочности, нельзя считать, что значения длительного обжатия σ^д_обж достаточно точно установлены, поэтому значения m_дл подлежат уточнению.

Деформации при длительном действии сжимающей нагрузки

Автоклавный ячеистый бетон характеризуется тем, что межпоровые стенки выполнены из цементирующих новообразований, обладающих сравнительно малой ползучестью. Однако, несмотря на это. ячеистый бетон является упруго-пластическим материалом. Деформации его во времени развиваются частично вследствие деформаций ползучести гелевой составляющей, что, как правило, наблюдается даже при малых напряжениях, а также из-за развития микротрещин и межпоровых стенках, отмечаемого при высоких длительных напряжениях.


При исследованиях основные призмы загружают на начальной стадии нагрузкой σ^д_обж, при этом измеряют начальные деформации ε₀. В дальнейшем на этих же призмах, загруженных постоянной нагрузкой σ^д_обж, измеряют длительные деформации ε_дл во времени. На контрольных призмах измеряют усадочные деформации ε_ус. Деформации ползучести ε_пл получают на основании экспериментальных данных: ε_пл=ε_дл+ε_ус.

Для количественной оценки ползучести автоклавных ячеистых бетонов можно воспользоваться основными характеристиками, принятыми для оценки ползучести обычного бетона, — характеристикой ползучести φ_t=ε_пл:ε₀ и мерой ползучести С_t=ε_пл:σ^д_б.

Испытания на длительное действие нагрузки были проведены в ЦНИИСК и НИИЖБ. Графики изменения температуры и относительной влажности воздуха в период проведения испытаний показаны на рис. 42. Здесь же даны характерные кривые изменения деформации ячеистых бетонов во времени.

При длительном нагружении ячеистобетонных призм нагрузками σ^д_обж<0,3 деформации ползучести имеют затухающий во времени характер; через 2—3 года рост этих деформаций практически прекращается. При этом напряжении зависимость между деформациями ползучести ε_пл при длительном действии нагрузки σ^д_б близка к линейной; практически ползучесть автоклавных ячеистых бетонов при таком напряжении можно считать линейной.

При длительном загружении призм нагрузками 0,3≤σ^д_обж≤0,6 деформации ползучести слабо затухают во времени.

При длительном загружении призм нагрузками σ^д_обж>0,6 деформации ползучести не затухают во времени. При обжатии σ^д_обж≥0,3 ползучесть автоклавных ячеистых бетонов нелинейна.


Как уже отмечалось, ползучесть автоклавных ячеистых бетонов может быть объяснена частично вязким течением геля, а также развитием в межпоровых стенках микротрещин вследствие концентрации в них напряжений. При высоких напряжениях развитие микротрещин протекает более интенсивно: они превращаются в макротрещины. В этом и заключается причина развития незатухающих деформаций ползучести в ячеистых бетонах, которые со временем приводят к разрушению сжатых ячеистобетонных элементов.

При линейной ползучести, когда деформации ε_пл затухают во времени, зависимость деформаций ползучести за время действия длительной нагрузки (t—t_m), но данным ЦНИИСК, может быть выражена известной формулой


В табл. 31 приведены средине значении характеристики ползучести φ^c_t, меры ползучести С^c_t и влажностной усадки ε_ус, вычисленные на основании исследований.


Исследования ползучести автоклавных ячеистых бетонов, выполненные в последние годы в Донецком Промстройпроекте под руководством С . В. Александровского [1] и в Киевском НИИСК под руководством B. И. Скатынского [73], показали, что для ячеистых бетонов удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными дает зависимость, предложенная C. В. Александровским для «старого» бетона [2]:


Следует указать, что исследования по ползучести ячеистых бетонов выполнены еще в незначительном объеме. В последние годы этот пробел начал восполняться.