20 ноября 2016г.
Аннотация
Приводится трактовка понятий процесса ползучести, ее роли в формировании конечных свойств бетонных композитов. Перечисляются основные факторы, влияющие на деформации, а также представлены их различные классификации.
Ключевые слова: понятие ползучести, влияющие факторы
На сегодняшний день ползучесть является одним из важнейших свойств многих строительных материалов (бетона, стали, древесины, полимеров), теоретическая и практическая изученность которой обеспечит надежность эксплуатации изделий и конструкций из них. В бетоноведении под ползучестью понимают способность деформироваться во времени под действием постоянной нагрузки [1]. Неупругое деформирование бетона было обнаружено Консидером еще в 1898 году, а первая публикация принадлежала Вульсону [2]. Он впервые описал, что при испытании бетона в обоймах он «течет как пластичный материал».
Невилль А.М. [3] выделяет ползучесть как общий термин для обозначения роста во времени деформаций под нагрузкой. В [4] она представляется явлением, возникающим вследствие постоянной нагрузки, вызывающей деформации, которые возрастают со временем. Также авторами выделяется два типа ползучести: в условиях постоянной влажности и при высыхании, что расширяет область факторов и процессов, охватываемых понятием «ползучесть». По мнению [5], деформации ползучести отличает нелинейность деформирования. Под ней понимается следующее: если несколько образцов-близнецов нагрузить различными силами, то деформации ползучести, накопленные за равные промежутки времени, не будут пропорциональны этим силам.
Подробное рассмотрение подходов к определению ползучести бетона дано З. Н. Цилосани в [2]. Проблематика, по мнению автора, обусловлена протеканием при деформировании нескольких явлений, имеющих различную природу (например, усадки, трещинообразования), вклад каждого из которых в процесс не выяснен до конца и является объектом изучения. «Одна часть авторов указывает, что ползучесть - медленное нарастание деформаций под действием неизменной внешней нагрузки, а вторая – растущая со временем или медленная, непрерывная пластическая деформация, при которой действующие напряжения остаются постоянными. Под этим понятием также подразумевают пластическое последействие, релаксацию». Автор также считает обоснованным введение понятий «основная ползучесть» (длительная деформация в условиях отсутствия влагообмена между бетоном и окружающей средой) и «ползучесть при высыхании» (прирост деформации в результате совместного действия усадки и нагрузки).
В «Методических рекомендациях по исследованию усадки и ползучести бетона», выпущенных НИИЖБ, установлено определение ползучести бетона как свободной относительной деформации при длительном действии напряжений от внешней нагрузки за вычетом: относительной упругой деформации и деформации напряженной усадки, деформаций усадки, связанной со свободным высыханием бетона, и возможной его относительной температурной деформации, связанной с изменением температуры воздуха [6]. Это определение обобщает понятие «ползучесть бетона» и четко указывает на составляющие деформирования бетонного конгломерата во времени, которые отнимаются от полной деформации и не учитываются при оценке явления в рассматриваемых системах.
Важность учета деформативных свойств цементных бетонов, их точного прогнозирования в долгосрочной перспективе обусловлена влиянием ползучести на изменение эксплуатационных качеств бетонных и железобетонных конструкций. Так, ползучесть вызывает падение предварительных напряжений [7], что ведет к потере устойчивости арок и сжатых ферм [8], является причиной дополнительных прогибов оболочек [9]. Она приводит к перераспределению внутренних усилий между арматурой и бетоном, между отдельными составными элементами стержневых железобетонных статически неопределимых конструкций [2]. Ползучестью обусловлена релаксация напряжений в бетоне [10]. В ряде случаев при длительном действии нагрузки неупругие деформации могут превышать начальные, упругие деформации [1,4,6,10-11]. В [11] также отмечается, что неполный учет основных свойств бетона может не только не обеспечить долговечность работы сооружений, но и привести к их разрушению.
А.В. Саталкин называет ползучесть фактором, повышающим трещиностойкость массивных конструкций [12]. В источнике [13] отмечается, что постепенное накопление пластических деформаций повышает границу микротрещинообразования и замедляет развитие трещин перед разрушением. Ползучесть цементного камня и микросдвиги в бетоне приводят к выравниванию напряженного состояния и синхронизации разрушения бетонных участков разной плотности.
Ползучесть бетона может играть как положительную, так и отрицательную роль в работе бетонных и железобетонных конструкций [6]. Это неотъемлемая составляющая как раннего, так и позднего структурообразования цементных композитов под нагрузкой, определяющая их эксплуатационную надежность. Знание механизма явления, разработка эффективных методов испытаний и контроля деформаций, а также их учет в современном строительном производстве является актуальным направлением исследований в технологии бетона.
Ползучесть цементного камня – явление сложное, зависящее от большого числа различных факторов. Проблема их учета представляет особую важность для развития отрасли физики твердого тела. Она вызвана «весьма сложным строением бетона и наличием большого числа факторов, влияющих на его напряженно-деформированное состояние» [14]. Этим обусловлено различие в подходах к классификации и степени влияния каждого фактора на протекание деформаций ползучести.
Т. Гансен [15],О.Я. Берг[16] исходя из понятий «Основная ползучесть» и «Ползучесть при высыхании», подразделяют факторы на 2 группы:
1) важнейшие (технологические, влияющие на основную ползучесть: качество цемента, водоцементное отношение, количество цементного теста в бетоне, реологические свойства заполнителей, добавки, интенсивность процесса уплотнения, вид и величина нагрузки, степень гидратации в момент приложения нагрузки);
2) влияющие на ползучесть при высыхании (усадка при высыхании и диффузия влаги, температура и влажность до и после приложения нагрузки, размер и форма образца, поглощающая способность заполнителей, карбонизация цементного теста).
В дальнейшем для исследования деформаций ползучести факторы условно разделялись на 3 группы [17]:
1) Факторы, связанные со свойствами и соотношением материалов, применяемых при изготовлении бетона: вид, активность, химико-минералогический состав и тонкость помола цемента; вид и гранулометрический состав песка; порода, гранулометрический состав, прочностные и упругие свойства крупного заполнителя, дозировка и соотношение составляющих бетонной смеси.
2) Условия приготовления и твердения бетона до начала испытания (эксплуатации): продолжительность перемешивания смеси; наличие, продолжительность и интенсивность вибрирования; режим термовлажностной обработки бетона; температура и влажность при предварительном хранении; продолжительность хранения до загружения или начала высыхания (возраст бетона к началу испытания).
3) Условия испытания: влажность и температура окружающей среды; влаго- и теплообмен со средой (наличие изоляции); размеры сечения элемента; уровень напряжений; направление усилий относительно слоев укладки бетона; продолжительность действия нагрузки или длительность высыхания.
В [18] основным критерием выбора являются факторы, определяющие степень гидратации цементного камня. Среди них А.Е. Шейкин выделяет степень гидратации цемента к моменту нагружения, тонкость помола вяжущего, введение ускорителей твердения, условия твердения, расход цемента, минералогический состав, водоцементное отношение, влагосодержание в момент загружения, влажность и температура окружающей среды.
При исследовании влияния на ползучесть многочисленных факторов отмечалось [3], что «трудно определить влияние одного свойства бетона отдельно от других» ввиду наложения их влияния при экспериментах, иногда не позволяющих учесть и грамотно связать получившийся эффект с одним конкретным действием определенного фактора.
Интерес представляет работа Р. Лермита [19], выделившего в качестве основных факторов длительной ползучести:
длительность действия нагрузки; величина нагрузки;
возраст образца в момент загружения; режим выдерживания;
состав бетона;
объем испытуемого образца.
Установление меры воздействия каждого из факторов, а также их взаимосвязи и суммарного эффекта является актуальной задачей в разработке рекомендаций по учету ползучести.
Список литературы
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: АСВ, 2011. 528с.
2. Цилосани З.Н. Усадка и ползучесть бетона. – Тбилиси: Мецниереба, 1979. 231с.
3. Невилль А.М. Свойства бетона. - М.: Стройиздат, 1972. -344 с.
4. Рамачандран В.C., Фельдман Р., Дж. Бодуэн. Наука о бетоне. М.: Стройиздат, 1986.– 280 с.
5. Бондаренко В.М. Некоторые вопросы нелинейной теории железобетона. – Харьков,1968. – 323с.
6. Методические рекомендации по исследованию усадки и ползучести бетона. – М.: НИИЖБ, 1975. - 117с.
7. Русинов И.А. Потери предварительного напряжения от ползучести бетона // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура, 1959. - №2. – С. 42-48.
8. Вишневецкий Г.Д. Основы расчета элементов конструкций на ползучесть. – Л. ЛИСИ, 1979. – 84с.
9. Панин А.Н. Деформирование пологих ребристых оболочек в условиях физической нелинейности и ползучести бетона. Автореф. дисс. - СПб. СПбГАСУ, 2009. – 23с.
10. Макаренко Л.П. Зависимость между ползучестью и релаксацией напряжений и вынужденных усилий в бетоне и железобетоне // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура, 1964. - №12. – С. 19-30.
11. Галустов К.З. Принцип Вольтера и принцип Гвоздева А.А. – Галустова К.З. в теории ползучести бетона // Вестник ОСН РААСН. Москва-Орел, 2009. - Вып. 13. - С. 88-95.
12. Саталкин А.В., Филимонов Н.А. Трещиностойкость бетона в массивных гидротехнических сооружениях // Бетон и железобетон, 1964. - №4. – С.188-189.
13. Пухонто Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений. М.: АСВ, 2004. - 424с.
14. Прокопович И.Е. Учет ползучести и усадки при расчете железобетонных конструкций // Бетон и железобетон, 1970. - №3. – С. 35-39.
15. Гансен, Т. К. Ползучесть и релаксация напряжений. /Т. К. Гансен; пер. Г. Д. Мариенгофа; под ред. О. Я. Берга. М.: Гос. изд-во по стр-ву, архитектуре и строит. материалам 1963. - 128 с.
16. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М.: Стройиздат,1971. - 208с.
17. Берг О.Я., Прокопович И.Е., Щербаков Е.Н., Застава М.М. Вероятностно- статистическое направление в изучении усадки и ползучести бетона // Известия Вузов. Строительство и архитектура, 1976. - №2. – С.9-28.
18. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. – М.: Стройиздат, 1979. - 344с.
19. Р. Лермит Проблемы технологии бетона. - М: ЛКИ, 2010. – 296с.
