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 ?кб — напряжение в бетоне на данной степени нагрузки; Rнпр — 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 ?ко6ж [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 ?кб=?ко пропорциональны напряжениям ??кб; точка А соответствует пределу упругости ячеистого бетона ?кб=0,6Rнпр; при напряжениях ?кб?0,6Rнпр пластические деформации ?кпл практически не отмечаются. С повышением напряжения бетона кривая деформаций поднимается вверх до точки В, которой соответствует напряжение бетона ?кб=0,85Rнпр. На участке АВ с повышением напряжения деформации ?кпл 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(?10).
При дальнейшем повышении напряжения ?кб>0,85Rнпр 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 ?кб=Rнпр. При напряжении, соответствующем точке D, призма полностью разрушается — напряжения в бетоне ниже, чем Rнпр. Развитие деформаций на этом участке связано с развитием необратимых макротрещин.
При кратковременных испытаниях призм значения предельных продольных относительных деформаций бетона ?кб 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 ?кобж=?кб:Rнпр и относительными деформациями сжатия ?кб 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 ?кб?0,055Rнпр, 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 ? и ?:
где ?кб.п — поперечные полные относительные деформации; ?кб — продольные полные относительные деформации;
где ??кб.п — приращение полных поперечных деформаций; ??кб — то же, продольных деформаций.
По величине коэффициента ? О. Я. Берг [9] определяет начальный момент появления микротрещин в тяжелом бетоне. В этом бетоне образование микротрещин наблюдается в тех случаях, когда ?>0,5, что следует из равенства, которое характеризует относительное изменение единичного объема ?V твердого тела при осевом сжатии:
Если ?0.
Для тяжелых бетонов к моменту обнаружения разрывов величина относительной поперечной деформации составляла в среднем ?кб.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 ? 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 ?кб=(0,8?1)Rнпр. Однако потрескивание, свидетельствующее о появлении невидимых микротрещин, отмечалось и при напряжениях ?кб?0,5Rнпр [76].
Исследования поперечных деформаций, выполненные для различных видов ячеистых бетонов, показали, что при напряжении ?кб?0,5Rнпр коэффициент поперечных деформаций ? 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 ?кбп от Nк (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 ? и ?, как это было сделано для тяжелого бетона, не увенчалась успехом.
Графики продольных и поперечных деформаций ячеистых бетонов [51] приведены на рис. 34, а характеристики ?, ? и ?V — на рис. 35.
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 ?кб.п для различных видов ячеистых бетонов. Для отечественных ячеистых бетонов объемного веса 700—1200 кг/м3 на цементном и шлаковом вяжущем при напряжении ?кб=0,5Rнпр, 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 ?кб=0,9Rнпр, 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) ?с=400?650 кг/м3 при ?кб=0,5Rнпр поперечные деформации составили в среднем 0,35 мм/м, а при ?кб=Rнпр — 0,74 мм/м. Для шведских ячеистых бетонов на извести ?с=650 кг/м3 (итонг белый и голубой) поперечные деформации при ?кб=Rнпр в среднем были равны 0,83 мм/м. Для венгерских ячеистых бетонов на извести ?с=900?1000 кг/м3 при ?кб=0,5Rнпр поперечные деформации были в среднем равны 0,18 мм/м, а при ?кб=Rнпр — 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 ?кб.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 ?кб.р=0,8Rнр 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 ?кб?0,5Rнпр 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 Екб 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 ?кб—?кб, 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 Екб вполне удовлетворительно может быть определен по формуле
Для определения Екб 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 Екб в этой таблице вычислена по формуле
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 Kw 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].