Главная

 

Механизм ползучести бетона и факторы, влияющие на нее (обзор)

 

Аннотация

Данный литературный обзор освещает современные представления о физической природе и механизме ползучести бетона и факторах, влияющих на нее. Среди основных факторов выделяются В/Ц бетонной смеси, вид и тонкость помола цемента, подвижность бетонной смеси, род крупного заполнителя, возраст бетона при нагружении и величина приложенной нагрузки, относительная влажность и температура окружающей среды, размер и форма бетонного сооружения, количество арматуры и степень равномерности ее распределения по сечению в железобетонных конструкциях. Отмечается, что поскольку на длительные деформации бетона влияет большое число факторов, то из-за отсутствия физико-химической теории, устанавливающей соответствующие связи, методики расчетного определения ползучести неизбежно должны базироваться на вероятностно-статистическом подходе.

 

Summary

The mechanism of concrete creep and influencing factors (review)

This review of selected literature on physical nature and mechanism of concrete creep and influencing factors. The major factors are W/C ratio of concrete mix, kind and fineness of cement, kind of large aggregate, age of concrete at loading, size of loading, relative humidity and ambient temperature, size and form of concrete members, quantity of reinforcement and degree of uniformity of its distribution in cross section of concrete members. It should be noted that creep strains of concrete depends on many factors, therefore techniques of definition of creep strains should be based on probability-statistical approach.

 

В связи со стремлением к сокращению материалоемкости бетонных конструкций и к облегчению веса сооружений, особую актуальность приобретают исследования природы деформируемости бетона, в частности, ползучести. Величина ползучести является важнейшим параметром, учитывающимся при проектировании предварительно напряженных железобетонных конструкций. Ползучесть бетона оказывает сильное влияние на распределение усилий в статически неопределимых системах, бетонных и железобетонных плотинах, мостах больших пролетов. Она играет важную роль в длительной устойчивости больших оболочек. От интенсивности развития деформации ползучести зависят эксплуатационные качества многих элементов, например, покрытий и перекрытий.

В своей книге Neville A.M. с соавторами [13] утверждают, что деформационные характеристики бетонов являются важнейшим элементом в знании их поведения и существенных особенностей их свойств. Данные авторы настаивают, что деформации ползучести являются очень существенными и всегда должны учитываться в дополнение к начальным упругим деформациям. Это наглядно иллюстрируется экспериментальными результатами, показывающими, что деформации ползучести через год после загружения в 2-3 раза превышают начальные упругие деформации. Интенсивность роста ползучести, однако, со временем уменьшается и через некоторое время ползучесть носит установившийся характер.

Наблюдения Девиса за ползучестью бетона, продолжавшиеся в течение 30 лет, показали, что деформация ползучести через 1 год, принятая за единицу, возрастает через два года до 1,14, через 5 лет - до 1,2, через 10 лет - до 1,26, через 20 лет - до 1,33 и через 30 лет - до 1,36 [25].

Ползучесть - это зависящее от времени увеличение деформаций затвердевшего бетона, находящегося под постоянной нагрузкой. Она обычно определяется вычитанием из общей деформации загруженного образца суммы начальной мгновенной деформации (обычно упругой), усадочных деформаций и любых термических деформаций, возникающих в образце из-за изменения относительной влажности и температурных условий.      

В работе Dilger W.H. и Wang C. [11] дается определение терминов ползучести бетона. Основная ползучесть – это ползучесть, происходящая без влагообмена бетона с окружающей средой, в то время как ползучесть при высыхании может быть определена только при влагообмене между бетоном и окружающей средой. Общая ползучесть бетона фактически складывается из основной ползучести и ползучести при высыхании.

Для большинства инженерных сооружений нет необходимости различать эти два компонента ползучести. Но важно помнить, что ползучесть и усадка бетона не являются независимыми явлениями, так как ползучесть при высыхании и усадка зависят от влажности, поэтому деформации бетона от этих явлений неаддитивны, то есть полная деформация не является суммой деформаций основной ползучести, ползучести при высыхании и усадки.

Часто полезно определять количество ползучести бетона в других формах, чем общая ползучесть. К ним можно отнести удельную ползучесть  и коэффициент ползучести . Удельная ползучесть определяется как деформация ползучести  на единицу приложенного напряжения σ:  

Коэффициент ползучести определяется как отношение деформации ползучести  к начальной упругой деформации :

Таким образом, коэффициент ползучести равный 2,0 означает, что полная деформация бетона, складывающаяся из начальной упругой деформации  и деформации ползучести  в три раза превышает начальную упругую деформацию.     

Удельная ползучесть и коэффициент ползучести могут быть связаны следующим уравнением:

где  - модуль упругости. 

Хотя природа ползучести все еще до конца не определена, ее частично обратимый характер предполагает, что деформации могут состоять из частично обратимой вязко-упругой составляющей (имеющей чисто упругую фазу и чисто вязкую фазу) и возможно также необратимой пластической составляющей.  

Упругие деформации всегда восстанавливаются при разгрузке. Пластические деформации никогда не восстанавливаются, могут зависеть от времени и не пропорциональны приложенному напряжению. Вязкие деформации никогда не восстанавливаются, всегда зависят от времени и пропорциональны приложенному напряжению в любой временной промежуток. Эти деформации можно разделить на несколько типов, а именно: мгновенные деформации, обратимые упругие деформации, необратимая пластическая вязкость.       

Для физического объяснения явления ползучести бетона выдвинут ряд теорий, многочисленность, а порой и противоречивость которых свидетельствуют о сложности данного вопроса. Шейкиным А.Е. с соавторами в [26] был дан некоторый обзор гипотез о физической природе ползучести. Не останавливаясь подробно на описании всех теорий, отметим, что по современным представлениям ползучесть бетона может быть вызвана перераспределением напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зерна заполнителей. Одновременно развитию деформаций ползучести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. При этом ползучесть зависит в первую очередь от степени дисперсности частичек новообразований. Чем меньше размеры частичек цементирующих новообразований и чем больше их удельная поверхность, тем сильнее выражена ползучесть (при прочих равных условиях). Пониженная дисперсность гелевых частичек способствует уменьшению деформаций ползучести вследствие не только увеличения жесткости системы, но и уменьшения содержания в ней адсорбционно- и капиллярно-связанной воды. Вода в псевдотвердом состоянии, распределенная в виде пленок толщиной в несколько слоев молекул на поверхностях гелевых частичек, должна увеличивать ползучесть. Капиллярная и свободная вода, способствующая набуханию гелей, также должна облегчать вязкое течение системы под действием нагрузок. Как показывают исследования, высушивание цементного камня резко уменьшает его ползучесть.

Некоторые исследователи полагают, что ползучесть обусловливается возникновением и развитием под нагрузкой микротрещин в кристаллических сростках структуры. Наличие влаги в цементном камне облегчает развитие разрывов и дефектов, что способствует ползучести при пониженных нагрузках. Так, Rossi P. [18] полагает, что под воздействием внешней нагрузки в теле бетона возникают микротрещины, в которые начинают мигрировать молекулы воды из микропор и структурных элементов цементного камня, что приводит к его быстрому обезвоживанию. Линейная деформация бетона, вследствие усадки при обезвоживании цементного камня, воспринимается на макроскопическом уровне как его ползучесть.

Кроме того, возможно, что силы поверхностного натяжения накладывают отпечаток на общую картину явления. Известно, что жидкости коагулируют вследствие стремления их свободной поверхностной энергии к минимуму. Величина поверхностных сил зависит от площади, на которой они действуют. Под действием приложенного сжимающего усилия поверхностные силы могут удерживаться на больших площадях и когда действие внешнего усилия будет внезапно прекращено, первоначальный объем тела не будет восстановлен. Возможно, что с увеличением возраста бетона поверхностные силы будут превалировать над упругими силами. Этому процессу в дальнейшем будут способствовать молекулярные релаксационные явления внутри твердого тела: упругая энергия будет поглощаться, и будет иметь место постоянно регулируемое равновесие вблизи поверхности контакта [25].

Анализ показал, что существующие физические теории бетона не полностью объясняют физику явления во всей его сложности даже с качественной стороны. Тем более нет физической теории, способной количественно описывать ползучесть и изменения физико-механических свойств бетона во времени. Поэтому для количественного описания появились феноменологические теории, устанавливающие соотношения между деформациями и напряжениями во времени, основанные на результатах механического испытания материалов. Основу подобных теорий, как правило, составляют экспериментально обоснованные гипотезы. Критерием правильности феноменологических теорий служит совпадение теоретических и опытных значений.    

Перейдем к рассмотрению факторов, в той или иной степени влияющих на ползучесть бетона. Ползучесть бетона зависит от еще большего числа факторов, чем его усадка, причем большинство факторов действует на деформации ползучести подобно их влиянию на деформации усадки. Их можно разделить на несколько категорий: факторы состава бетонной смеси и другие факторы, связанные с условиями твердения, ухода за бетоном, условиями нагружения бетона и геометрией сооружения. В связи с этим деформации ползучести у различных бетонов и при различных условиях твердения различаются очень сильно.

Российскими и зарубежными исследователями было сделано много попыток связать ползучесть бетона с В/Ц, содержанием цемента, типом цемента, содержанием тонкомолотых наполнителей и другими свойствами цементного камня, но все эти попытки закончились противоречивыми данными относительно их влияния, так как в большинстве исследований ползучесть изучалась эмпирически. Сложность в интерпретации большинства имеющихся данных состоит в том, что трудно отделить влияние одного свойства бетона от других.

Некоторые авторы доказывают, что ползучесть связана с отношением «напряжение-прочность» (отношение приложенного напряжения к прочности бетона во время загружения), которое охватывает результирующее влияние всех упомянутых выше взаимозависимых свойств цементного камня и факторов его состава [13, 14].

Однако, все согласны в том, что бетоны с более низкими В/Ц отношениями показывают меньшую ползучесть, чем бетоны с более высокими В/Ц. Изучение экспериментальных данных составов с одинаковым содержанием цемента, но с различным содержанием воды показало эту тенденцию. Это связано с тем, что кинетика нарастания прочности бетона неразрывно связана с величиной В/Ц.

Влияние вида цемента на ползучесть бетона сказывается в той мере, в какой вид цемента влияет на прочность бетона в момент загружения. Высокомарочные цементы, у которых процесс образования кристаллических структур протекает быстро, уменьшают ползучесть бетона. По мнению Alexander K.M. с соавторами [2], колебания содержания SO3 в пределах, имеющих место на практике для различных цементов, приводят к изменению ползучести бетона в два раза, причем с ростом содержания SO3 ползучесть падает.

Boualam N. и Muller A. [4] привели результаты исследований зависимости между содержанием в цементах различного состава C3A (от 0,73 до 10,10%) и шлака (до 80%) и деформационными свойствами бетонов после длительных сроков их твердения. Установлено, что минимальную ползучесть и деформации под нагрузкой при температурах до 600С обеспечивает портландцемент с содержанием C3A ~5%, при меньших или больших количествах алюмината эти свойства возрастают.

Тонкость помола цемента влияет на рост прочности бетона в раннем возрасте и таким образом влияет на его ползучесть. Однако прямого влияния тонкости помола на увеличение ползучести не установлено, имеется множество противоречивых данных, которые могут быть объяснены косвенным влиянием гипса. Известно, что чем больше тонкость помола цемента, тем больше требуемое количество гипса. Поэтому дополнительный помол цемента в лабораторных условиях без добавления гипса приводит к получению неправильно отрегулированного по срокам схватывания цемента, который показывает более высокую усадку и ползучесть [25].

При постоянном В/Ц возрастающее увеличение содержания цемента в смеси увеличивает ползучесть, но уменьшает усадку при высушивании бетона. Это единственный фактор, который оказывает противоположное влияние на усадку и ползучесть. Collins T.M. [9] исследовал влияние пропорций смеси на характеристики ползучести на пяти бетонных смесях с прочностью в 28-суточном возрасте от 60 до 64 МПа. Результаты показали, что ползучесть была немного меньше для бетонных смесей с низким содержанием цементной пасты и большим размером зерен заполнителя.

Подвижность бетонной смеси при неизменном расходе цемента связана с повышением В/Ц, а следовательно, также ведет к увеличению ползучести. Alexander K.M. с соавторами [2] отмечает, что за счет изменения содержания цементного теста, приводящего к падению подвижности с 16 см до нуля, ползучесть бетона может измениться в 1,6 раза.

Рассмотрим влияние заполнителей бетона. Ползучесть, по существу происходит в цементном камне, который не совсем упругий, а заполнители же при эксплуатационных нагрузках деформируются упруго, а не пластически, тем самым, ограничивая ползучесть. Поэтому количество и жесткость крупных заполнителей до некоторой степени влияют на ползучесть. Более жесткий заполнитель воспринимает большую долю нагрузки, разгружая цементный камень. По мере проявления деформаций ползучести последнего идет перераспределение напряжений в направлении еще большего нагружения высокопрочного заполнителя. Следовательно, заполнители в бетоне тормозят развитие пластических деформаций цементного камня и тем в большей степени, чем больше насыщен бетон заполнителем и чем выше модуль упругости заполнителя. Поэтому любое увеличение этих двух факторов уменьшает ползучесть бетона.

В своей книге Neville A.M. с соавторами [13] обсуждали влияние заполнителей на ползучесть бетона. Представленные результаты, основанные на предшествующем исследовании показали, что максимальный размер и гранулометрия заполнителей не влияют на ползучесть, если бетон полностью уплотнен.   

Не последнюю роль играет род крупного заполнителя. Меньшая ползучесть наблюдается при применении плотного заполнителя - щебня из изверженных горных пород. В докладе Zia P. с соавторами [23] была оценена ползучесть высокопрочных бетонов с различными заполнителями (дробленый гранит, морской известняк, промытый округлый гравий). Наблюдаемые деформации ползучести составляли от 20 до 50% от ползучести обычного бетона. Удельная ползучесть бетона с морским известняком была намного выше, чем у бетонов с дробленым гранитом или округлым гравием. 

Пористый заполнитель усиливает ползучесть в связи с его низкой жесткостью, поэтому легкие бетоны имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми. Так, Бужевич Г.А. отмечает, что в среднем деформации ползучести легких бетонов классов до В25 во многих случаях в 1,2-1,4 раза больше деформаций ползучести тяжелых бетонов, и это свойство в полной мере проявляется уже примерно через 2-6 мес. после загружения (т.е. раньше, чем у тяжелых бетонов).

Нельзя отрицать и тот факт, что сам по себе пористый заполнитель, и в первую очередь керамзит, подвержен значительным пластическим деформациям и микротрещинообразованию при длительном действии на него сжимающих нагрузок. Это также может являться дополнительными факторами, интенсифицирующими ползучесть керамзитобетона.

К факторам нагружения, влияющим на ползучесть, относятся возраст бетона при нагружении и величина приложенной нагрузки. Оба этих фактора вносят большой вклад в отношение «напряжение-прочность», упомянутое выше. Точно установлено, что из-за влияния прочности на ползучесть бетон имеет бóльшую ползучесть, если загружается в более раннем возрасте и наоборот, более низкие значения ползучести получаются при более длинном периоде выдерживания бетона перед приложением нагрузки. Аналогично, более высокие деформации ползучести наблюдаются также и при бóльшей нагрузке у данного бетона. Линейное соотношение между деформациями ползучести и величиной приложенного напряжения, как известно, существуют только до определенного уровня напряжений. Верхний предел линейного соотношения в основном находится в пределах от 50% до 60% прочности при сжатии для большинства бетонов. Выше этого напряжения происходит микротрещинообразование и соотношение становится нелинейным. Хотя зависимость деформаций от напряжения при длительном сжатии бетона с самого начала загружения, строго говоря, нелинейна, однако для бетона не очень раннего возраста при небольших напряжениях сжатия эта нелинейность бывает слабее выражена, поэтому в практических расчетах иногда нелинейность деформаций не учитывается. Но это справедливо лишь для небольших уровней напряжения. Для многих практических задач полезно различать условную границу перехода области линейной ползучести, обнаруживаемой обычно по прошествии короткого времени после длительного нагружения (с сильно выраженной нелинейностью в процессе нагружения) от области существенно нелинейной ползучести бетона, четко обнаруживаемой в последующее время длительного нагружения. Учет нелинейной ползучести существенно важен для практических расчетов предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и некоторых других элементов. При уровнях напряжения, приближающихся к пределу прочности бетона, ползучесть может привести к разрушению структуры. 

Другие факторы, которые могут влиять на ползучесть бетона, включают условия выдерживания и ухода за бетоном. Продолжительность и тип выдерживания влияют на прочность бетона и соответственно на ползучесть. Относительная влажность при выдерживании может очень сильно влиять на ползучесть, или более точно, на величину ползучести при высыхании. При пониженной относительной влажности обычно ползучесть увеличивается [7]. Опыты показали, что твердение бетона в воде более чем вдвое уменьшает деформации ползучести бетона по сравнению с твердением его на воздухе.

Но в условиях эксплуатации сооружения, когда бетон постоянно подвергается попеременному увлажнению и высушиванию величина деформаций ползучести увеличивается, т.е. результаты лабораторных испытаний не позволяют точно определить реальную величину деформации ползучести отмечается в [7].

Карапетяном К.А. [24] исследовано влияние процесса десорбции химически несвязанной воды, накопленной в порах и капиллярах бетона на этапе изготовления, на ползучесть бетонов в возрасте 23-27 лет. Установлено, что в условиях невысокой влажности среды деформации ползучести старых бетонов с большим начальным влагосодержанием могут многократно превосходить деформации ползучести аналогичных бетонов с влажностью, примерно равной влажности окружающей среды. 

Температура также влияет на ползучесть, хотя для наиболее типовых сооружений температура рассматривается как менее важный фактор окружающей среды, чем относительная влажность. Более высокая температура приводит к увеличению начальной скорости ползучести по сравнению с бетоном, испытываемым при нормальной (комнатной) температуре. Это обусловлено увеличением подвижности воды и активацией процесса деформирования. Однако рост ползучести со временем прекращается и становится одинаковым для всех температур. В случае испытаний бетона в раннем возрасте ползучесть при 900С в три раза выше ползучести при 200С [25]. Alexander K.M. с соавторами [2] отмечает, что снижение температуры твердения бетона с 23 до 50С приводит к росту ползучести до 40%.

На степень ползучести, так и на ее предельную величину влияют размер и форма бетонного сооружения или образца [12]. Для больших сооружений степень ползучести и ее предельная величина значительно меньше в связи с меньшими потерями влаги из бетона в окружающую среду и соответственно меньшей скоростью высыхания. В отчете Американского института бетона (ACI Committee 209, 1993) [1] приведено широко используемое прогнозное уравнение для определения деформаций ползучести бетона. Однако, как и в случае с усадкой отмечается, что определение ползучести на стандартных лабораторных образцах может иметь ошибки, если не учитывать влияние размера сооружения и его форму.

Все исследователи согласны в том, что ползучесть у высокопрочных бетонов намного меньше, чем у бетонов с обычной прочностью. Эта тенденция связана в основном с тем, что высокопрочные бетоны изготавливаются при низком В/Ц. Так, Parrot L.J. [16] приводит данные, что коэффициент ползучести высокопрочного бетона на 25% ниже, чем у обычного бетона в сухих условиях выдерживания и при нагрузке 30% от прочности бетона. Ngab A.S. с соавторами [15] показано, что удельная ползучесть и коэффициент ползучести высокопрочного бетона с В/Ц 0,32 равнялись соответственно 20-25% и 50-75% этих же характеристик обычного бетона, изготовленного из тех же материалов, но с В/Ц 0,64.  

Smadi M.M. с соавторами [19] отмечает, что у высокопрочных бетонов существует более высокий предел линейного соотношения между уровнем приложенных напряжений и деформациями ползучести. Этот предел наблюдался приблизительно на уровне нагрузки 65% от прочности на сжатие для высокопрочного бетона по сравнению с 45% от прочности на сжатие для низкопрочных и нормальных бетонов. Также наблюдалось, что высокопрочный бетон имеет повышенную прочность при длительной нагрузке. Напряжения, при которых происходит разрушение бетона от деформаций ползучести составляют примерно 80% от прочности у высокопрочного бетона и 75% от прочности для бетонов низких и средних марок.

Влияние на ползучесть бетона минеральных и химических добавок все еще полностью не выяснено. Brooks J.J. и Neville A.M. [7] считают, что немного обобщений можно сделать по влиянию добавок на ползучесть бетона, отчасти потому, что доступные экспериментальные данные охватывают слишком широкий диапазон условий испытаний. Также важно признать косвенное влияние, которое имеют добавки на ползучесть через другие факторы, прямо влияющие на ползучесть, например, В/Ц, прочность и т.д.

Brooks J.J. [6] в своей работе оценил влияние химических и минеральных добавок на относительную деформацию бетона, то есть сравнивая деформацию ползучести бетона с добавками с контрольным составом бетона с таким же составом, но без добавок. Данным автором были протестированы различные виды химических добавок и было выявлено, что существенных различий по влиянию на ползучесть бетона между различными типами пластификаторов и суперпластификаторов нет. Однако, по сравнению с контрольным бетоном, было отмечено увеличение деформаций ползучести на 20%. Вероятной причиной этого увеличения называется способность химических добавок вовлекать воздух, что делает твердеющий бетон менее прочным. Но данный вывод не является обоснованным и необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить это. В качестве минеральных добавок в этой работе [6] исследовались доменный шлак, зола-уноса и микрокремнезем. Так, замена части цемента доменным шлаком показало уменьшение среднего значения предельной ползучести с увеличением содержания шлака. Более низкие значения ползучести бетона с доменным шлаком связываются с его более низким развитием прочности. Бетон с заменой части цемента золой-уносом также имел уменьшение среднего значения предельной ползучести с увеличением содержания данной добавки. Эта тенденция объяснялась развитием прочности бетона: бетон с золой-уносом увеличивает прочность в течение длительного времени гидратации. Небольшое уменьшение ползучести наблюдалось у бетона с заменой части небольшой части цемента микрокремнеземом. И наоборот, увеличение ползучести происходило при замене 16% портландцемента микрокремнеземом.                  

Более ранние исследования ползучести бетонов, содержащих золу-уноса, микрокремнезем и суперпластификатор были обобщены в докладе Zia P. с соавторами [22]. Было отмечено, что при одинаковой прочности не было очевидного различия между удельной ползучестью бетона с микрокремнеземом, золой-уноса или обычного бетона без добавок. Однако деформации ползучести были намного меньше для высокопрочных бетонов, чем у бетонов средней или низкой прочности при различных уровнях напряжений и в любое время после нагружения.      

В качестве примера можно также привести исследования Zhao Qingxin с соавторами [21], которые изучали характеристики ползучести высокопрочного бетона, в состав которого входили 30, 50 и 80% доменного гранулированного шлака, 12, 30 и 50% летучей золы, 35% доменного гранулированного шлака в сочетании с 15% летучей золы, а также 15% доменного гранулированного шлака и 35% летучей золы в сопоставлении с цементным бетоном. В экспериментах применяли нагрузку, составляющую 33% прочности на сжатие. Испытания проводили при фиксированных температуре (20±10С) и влажности (65±5%). Установлено, что дозировка шлака в количестве 30-50% практически не влияет на ползучесть бетона, но при 80% содержании шлак отрицательно влияет на ползучесть, повышая ее в 1,74 раза по сравнению с контрольным бетоном. При введении 12 и 30% летучей золы после годичного твердения величина ползучести бетона составляет лишь 0,76 и 0,465 ползучести контрольного образца. При вводе 50% летучей золы в годичном возрасте ползучесть составляет 1,02 ползучести контрольного бетона. Ползучесть бетона с 35% шлака и 15% летучей золы или с 15% шлака и 35% летучей золы существенно ниже, чем у бетона с 50% шлака или 50% летучей золы.   

В своей книге Ramachandran V.S. [17] разделил добавки по степени влияния на ползучесть бетона по нескольким категориям указанным ниже.

Ускорители твердения бетона. Основываясь на предыдущих исследованиях, данный автор делает вывод, что добавки на базе хлорида кальция и триэтаноламина увеличивают ползучесть бетона. Добавка 1,5% CaCl2 увеличило ползучесть бетонных цилиндров загруженных в 7-суточном и 28-суточном возрасте на 36% и 22% соответственно. Ползучесть бетона с добавкой триэтаноламина увеличивалась только при раннем сроке загружения (7 суток).   

Водопонизители/замедлители схватывания. Установлено [17], что при использовании цемента типа I добавка лигносульфонатов повышала меру и абсолютное значение ползучести бетона как в начальные сроки, так и в более позднем возрасте. С другой стороны, при использовании цемента типа V не обнаружили сколько-нибудь существенной разницы между ползучестью бетона с добавкой и без нее. Гидроксикарбоновая кислота имеет тенденцию увеличивать ползучесть в позднем возрасте, за исключением легких бетонов. Однако в раннем возрасте степень ползучести низкая. Отсюда были сделаны выводы, что водопонизители либо не оказывают никакого влияния на ползучесть, либо увеличивают ее, а замедлители схватывания только увеличивают ползучесть.    

Суперпластификаторы. Введение трех различных добавок в контрольную смесь показало, что суперпластификатор на меламиновой основе несколько уменьшают, на нафталиновой основе практически не оказывает влияния и добавки на основе лигносульфонатов увеличивают ползучесть бетона в сравнении с контрольной смесью.

Полимеры. В основном, использование полимеров в бетонных смесях приводит к большим деформациям ползучести. Разрушение данных бетонов от ползучести происходит уже при 50°С [17].   

Деформации ползучести бетона могут происходить свободно, а могут в стесненных условиях: когда в бетоне имеется достаточно большое количество арматуры, препятствующей им и воспринимающей на себя часть нагрузки, и напряжения в бетонной части сечения будут более низкие по сравнению с чисто бетонным сечением, а деформации ползучести этой части будут затухать быстрее. Поэтому количество арматуры и степени равномерности ее распределения по сечению в железобетонных конструкциях играют большую роль на степень влияния их на ползучесть. Yamamoto T. [20] провел испытание на ползучесть железобетонной колонны 25x25x100 см содержащей 2,44% продольной арматуры и 0,79% поперечной арматуры. Прочность бетона составляла 57 МПа на 31 сутки твердения. На 33 сутки к колонне была приложена нагрузка 19,4 МПа. На 170 сутки после нагружения коэффициент ползучести составлял 0,57, а предельный коэффициент ползучести для обычной бетонной колонны составлял 1,4 из чего был сделан вывод, что ползучесть высокопрочных армированных колонн будет намного меньше, чем у обычных бетонных колонн.         

Все данные по ползучести получены в основном при испытании бетона под постоянной нагрузкой. Бетон, подвергающийся циклическому нагружению и разгружению, также показывает прогрессирующий рост деформаций. Однако при испытании образцов, загруженных вначале длительно действующей постоянной нагрузкой, а затем циклической нагрузкой, было обнаружено только незначительное увеличение деформаций по сравнению с их уровнем, полученным при действии постоянной нагрузки [25].

Многократное повторение циклов загружения и разгрузки бетонной призмы приводит к постепенному накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого числа циклов эти неупругие деформации, соответствующие данному уровню напряжений, постепенно выбираются, ползучесть достигает своего предельного значения, бетон начинает работать упруго. Такой характер деформирования наблюдается лишь при напряжениях, не превышающих предел выносливости. При больших напряжениях после некоторого числа циклов неупругие деформации начинают неограниченно расти, что приводит к разрушению образца.

При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200 - 600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползучестью, или динамической ползучестью.

Поскольку на длительные деформации бетона влияет большое число факторов, то из-за отсутствия физико-химической теории, устанавливающей соответствующие связи, методики расчетного определения ползучести неизбежно должны базироваться на вероятностно-статистических методах и моделях. Но независимо от того, какая модель используется, реологическая или числовая, ни одна из них не может точно определить деформации ползучести в то или иное время. Сложное влияние компонентов бетонной смеси и  условий окружающей среды на поведение бетона при ползучести делает его удовлетворительное предсказание почти невозможным. Даже при том, что некоторые модели очень известны, но и они могут применяться только к бетонам с данными пропорциями смеси и сырьевыми материалами. Однако, когда данные по ползучести недоступны для определенного бетона и нет условий для проведения испытания бетона на ползучесть, то для приблизительной оценки деформаций ползучести могут использоваться прогнозные уравнения. 

Brooks J.J. и Neville A.M. [8] изучали ползучесть бетона с целью получения прогнозного уравнения для оценки длительной ползучести при испытаниях на ранней стадии нагружения. Был сделан вывод, что длительная ползучесть через 1 год может быть достаточно точно предсказана с допускаемым коэффициентом ошибки при испытании на ползучесть через 100 дней нагружения конструкции. Улучшение точности предсказания достигается при увеличении продолжительности испытания.

На данный момент в большинстве развитых стран для предсказания ползучести как функции от времени для данного состава бетона при данных условиях нагружения и окружающей среды за рубежом используются три модели.

Наиболее общая модель, которая используется в США, вероятно, является модель, описанная в докладе Американского института бетона (ACI Committee 209, 1993) [1], которая основана на работе Branson D.E. и Christiason M.L. [5]. Эта модель предполагает для определения предельного коэффициента ползучести  пользоваться экспериментальными данными или принимать за базовую его величину число 2,35. Это число было выведено на основании экспериментальных исследований 120 образцов обычных и легких бетонов. Эта величина, как предполагается, представляет среднюю величину для многих бетонов и изменяется в зависимости от набора множителей для различных факторов, связанных с составом бетона. Среди этих факторов можно выделить подвижность бетонной смеси, процентное содержание мелких заполнителей и содержание цемента. Множители, соответствующие этим факторам можно найти в докладе Американского института бетона (ACI Committee 209, 1993) [1].             

Принятый или экспериментально определенный предельный коэффициент ползучести изменяется в зависимости от множителей, соответствующих условиям нагружения, выдерживания и окружающей среды. Так, множитель для фактора окружающей среды определяется как

где H - относительная влажность среды в процентах.

Множитель  в уравнении (4) равен 1,0 при «стандартной» относительной влажности 40%. Данное уравнение не соответствует влажности менее 40%, но множитель  должен быть принят более 1,0.  

Множитель, учитывающий подвижность бетонной смеси

где  - осадка конуса в мм.

Множитель, учитывающий содержание воздуха

где  - содержание воздуха.  

Множитель, учитывающий количество мелких частиц в общем соотношении заполнителей

где  - количество мелких частиц в общем соотношении заполнителей.

Множитель, учитывающий возраст бетона при нагружении  принимается равным  для возраста более 7 дней и бетона, твердеющего в обычных условиях и  для возраста более 1-3 дней и пропаренного бетона. Здесь  - время со дня нагружения сооружения.         

Множитель фактора размера и формы может применяться в двух формах, одна из которых связана с отношением «объем-поверхность» и другая с минимальной или средней теоретической толщиной сооружения , где A – площадь поперечного сечения, P – периметр. Так, множитель, соответствующий фактору влияния на ползучесть средней теоретической толщины сооружения h при ее значениях от 150 до 300-380 мм определяется как

где постоянные 1,10 и 0,00067 заменяются на 1,14 и 0,00092 соответственно при определении коэффициента ползучести в течение первого года после нагружения сооружения. Эта модификация данного уравнения предназначена для того, чтобы отразить большое влияние средней толщины сооружения в течение первого года после нагружения.     

Множитель, связанный с отношением «объем (v)-поверхность (s)» определяется как

Необходимо помнить, что данный множитель равен 1,0 при «стандартном» отношении «объем-поверхность» равным 1,5. 

Когда все корректирующие множители учтены, то коэффициент ползучести  в любое время t может быть определен как функция от исправленного предельного коэффициента ползучести . Для этого можно применить следующее гиперболическое выражение

где t - время со дня изготовления и - время со дня нагружения сооружения.   

Форма данного уравнения (10) основана на работе Branson D.E. и Christiason M.L. [5]. Коэффициенты 10 и 0,6 были определены на основании экспериментального исследования 120 образцов на ползучесть. Диапазон других возможных значений для этих двух коэффициентов приведен в докладе Американского института бетона (ACI Committee 209, 1993) [1]. Общая форма уравнения (10) имеет следующий вид:

Среди других наиболее известных моделей для предсказания ползучести проектируемых сооружений включают европейскую модель 1990 Comite Euro-International du Beton (1990 CEB) [10] и упрощенную модель BP (Bazant-Panula) [3]. Модель 1990 CEB очень похожа на модель ACI Committee 209 [1] и учитывает для предсказания ползучести факторы возраста нагружения, продолжительности нагрузки, тип цемента, относительную влажность окружающей среды, толщину и размер сооружения. Одной из главных отличий между этой моделью и моделью ACI Committee 209 [1] является то, что в ней рассматривается прочность бетона, как одна из переменных в предсказании ползучести. Второе главное отличие то, что факторы влияния относительной влажности среды, размера и толщины сооружения на степень ползучести рассматриваются в дополнение к влиянию этих переменных на общую или предельную ползучесть. Неучет влияния эти факторов на степень ползучести является недостатком модели ACI Committee 209 [1].          

Модель BP (Bazant-Panula) [3] является упрощенной формой сложной модели для предсказания ползучести. Эта модель была создана с использованием большой базы данных экспериментальных значений ползучести. В этой модели рассматривается взаимосвязь ползучести и усадки, а общая ползучесть разделена на основную ползучесть и ползучесть при высыхании. Одной из интересных особенностей этой модели является то, что прочность бетона является главной переменной при предсказании ползучести и проявляется при вычислении нескольких параметров, используемых в модели. 

Действие ползучести бетона, по мнению многих авторов, не всегда является отрицательным и может быть рационально использовано при сооружении бетонных конструкций. Так, например, считается, что во всех бетонных конструкциях ползучесть уменьшает внутренние напряжения, обусловленные неоднородностью усадки, изменениями температуры, сдвигом опор сооружения, что приводит к повышению трещиностойкости конструкции [25].

Саталкин А.В. установил, что нагружение бетона в ранние сроки твердения может при определенных условиях оказать положительное влияние на его прочность, поскольку из-за пластических деформаций в цементном камне возникают благоприятные структурные изменения.

Ползучесть бетона имеет большое практическое значение для железобетонных конструкций, так как она приводит к перераспределению усилия в статически неопределимых конструкциях, к существенной релаксации (затухающему падению напряжений при заданной постоянной деформации) температурно-усадочных напряжений. Вместе с тем она оказывается в некоторых случаях невыгодной, так как приводит к развитию прогибов балок и снижению натяжения арматуры в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, что часто приводило к разрушению конструкции. Только при использовании высокопрочных арматурных сталей, удлинение которых в несколько раз превосходит деформации сжатия бетона за счет ползучести и усадки, можно применять предварительно напряженные конструкции.

В массивных бетонных элементах ползучесть может способствовать образованию трещин, когда бетонная масса, не имеющая возможности свободно деформироваться, подвергается действию температурных перепадов, вызванных тепловыделением при гидратации бетона и последующим охлаждением. Ползучесть уменьшает сжимающие напряжения, вызванные быстрым подъемом температуры, так что остаточное сжатие исчезает, как только начинается охлаждение бетона. При дальнейшем охлаждении в бетоне развиваются растягивающие усилия, и, поскольку величина ползучести уменьшается с возрастом, в нем могут образовываться трещины даже до того, как температура достигает начального уровня. По этой причине температуру внутри больших бетонных массивов следует контролировать путем использования цемента с умеренной экзотермией, снижением содержания цемента в бетоне, предварительным охлаждением составляющих бетонной смеси, сокращением высоты бетонных слоев и охлаждением бетона с помощью воды, циркулирующей по трубам, уложенным в бетоне [25].

Таким образом, действие ползучести может привести к нежелательным последствиям, однако в целом ползучесть в отличие от усадки способствует успешному применению бетона как конструктивного материала.

 

Выводы

 

Анализ литературных источников показал, что деформации ползучести бетона являются очень существенными и всегда должны учитываться в дополнение к начальным упругим деформациям. Ползучесть бетона зависит от еще большего числа факторов, чем его усадка, причем большинство факторов действует на деформации ползучести подобно их влиянию на деформации усадки. Попытки количественно связать ползучесть с различными факторами не увенчались успехом, так как трудно отделить влияние одного свойства бетона от других. Многие авторы доказывают, что ползучесть связана с отношением «напряжение-прочность» (отношение приложенного напряжения к прочности бетона во время загружения), которое охватывает результирующее влияние всех взаимозависимых свойств цементного камня и факторов его состава.

Среди наиболее значимых факторов можно выделить следующие:

1) В/Ц отношение бетонной смеси. Бетоны с более низкими В/Ц показывают меньшую ползучесть, чем бетоны с более высокими В/Ц. Это связано с тем, что кинетика нарастания прочности бетона неразрывно связана с величиной В/Ц.

2) Вид цемента. Сказывается на ползучести бетона в той мере, в какой цемент влияет на прочность бетона в момент нагружения. Высокомарочные цементы, у которых процесс образования кристаллических структур протекает быстро, уменьшают ползучесть бетона.

3) Тонкость помола цемента влияет на рост прочности бетона в раннем возрасте и таким образом влияет на его ползучесть.

4) Подвижность бетонной смеси при неизменном расходе цемента связана с повышением В/Ц, а следовательно, также ведет к увеличению ползучести.  

5) Род крупного заполнителя. Меньшая ползучесть наблюдается при применении плотного и жесткого заполнителя. Пористый заполнитель усиливает ползучесть в связи с его низкой жесткостью и пластичностью.

6) Минеральные и химические добавки в бетонной смеси. Влияние этого фактора на ползучесть все еще полностью не выяснено, отчасти потому, что доступные экспериментальные данные охватывают слишком широкий диапазон условий испытаний.

7) Возраст бетона при нагружении и величина приложенной нагрузки. Точно установлено, что из-за влияния прочности на ползучесть бетон имеет бóльшую ползучесть, если загружается в более раннем возрасте.

8) Относительная влажность окружающей среды при выдерживании бетона. При пониженной относительной влажности обычно ползучесть увеличивается.

9) Температура окружающей среды. Более высокая температура приводит к увеличению начальной скорости ползучести по сравнению с бетоном, испытываемым при нормальной (комнатной) температуре.

10) Размер и форма бетонного сооружения. Для больших сооружений степень ползучести и ее предельная величина значительно меньше в связи с меньшими потерями влаги из бетона в окружающую среду.

11) Количество арматуры и степень равномерности ее распределения по сечению в железобетонных конструкциях. Арматура воспринимает на себя часть нагрузки и соответственно деформации ползучести будут затухать быстрее.

Поскольку на длительные деформации бетона влияет большое число факторов, то из-за отсутствия физико-химической теории, устанавливающей соответствующие связи, методики расчетного определения ползучести неизбежно должны базироваться на вероятностно-статистическом подходе.

   

Список использованной литературы

 

1. ACI Committee 209. 1993. Prediction of creep, shrinkage, and temperature effects in concrete structures. Предсказание ползучести, усадки и температурных эффектов в бетонных структурах (ACI 209R-92). ACI Manual of Concrete Practice. American Concrete Institute, Detroit, MI, Part 1, 47 pp.

2. Alexander K.M., Wardlaw J., Ivanusec I. A 4:1 range in concrete creep when cement SO3 content, curing temperature and fly ash content are varied. Четырехкратное изменение ползучести бетона при изменении содержания в цементе SO3, температуры твердения и содержания золы-уноса. //Cem. and Concr. Res., 1986. No.2. - pp.173-180.

3. Bazant Z.P., Panula L. Creep and Shrinkage Characterization for Analyzing Prestressed Concrete Structures. Характеристики ползучести и усадки для анализа преднапряженных бетонных структур. //PCI Journal, May/June 1980, Vol. 15, No.3, pp.87-122.

4. Boualam N., Muller A. Zum Einflub des Zementes auf das Kriech- und Schwindverhalten von Beton und Mortel. Влияние цемента на ползучесть и усадку бетона и раствора. //Ibausil: 14. Internationale Baustofftagung, Weimar, 20-23. Sept., Bd 1. Weimar: Bauhaus-Univ. Weimar. 2000. -pp.1/0485-1/0494.

5. Branson D.E., Christiason M.L. Time-Dependent Concrete Properties Related to Design - Strength and Elastic Properties, Creep, and Shrinkage. Зависящие от времени свойства бетона, связанные с прочностью и упругостью, ползучестью и усадкой. ACI Special Publication SP-27, Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structures, American Concrete Institute, Detroit, 1971.

6. Brooks J.J. How Admixtures Affect Shrinkage and Creep. Как добавки влияют на усадку и ползучесть. //Concrete International, April 1999.

7. Brooks J.J., Neville A.M. Creep and Shrinkage of Concrete as Affected by Admixtures and Cement Replacement Materials. Как воздействуют добавки и наполнители на ползучесть и усадку бетона. Creep and Shrinkage of Concrete: Effect of Materials and Environment, ACI SP 135, American Concrete Institute, Detroit, 1992, pp.19-36.

8. Brooks J.J., Neville A.M. Estimating Long-term Creep and Shrinkage from Short-term Tests. Оценка длительной ползучести и усадки ранними испытаниями. //Magazine of Concrete Research, March 1975, Vol.27, No.90, pp.3-12.

9. Collins T.M. Proportioning High-Strength Concrete to Control Creep and Shrinkage. Пропорции смеси в высокопрочном бетоне для контроля ползучести и усадки. //ACI Materials Journal. 1989. №6, pp.576-580.

10. Comite Euro-International du Beton (CEB), CEB-FIP Model Code 1990, Final Draft, Lausanne, 1991.

11. Dilger W.H., Wang C. Creep and Shrinkage of High Performance Concrete. Ползучесть и усадка высококачественного бетона. ACI Special Publication 194. 2000, pp.361-371.

12. Hansen T.C., Mattock A.H. Influence of Size and Shape of Member on the Shrinkage and Creep of Concrete. Влияние размера и формы сооружения на усадку и ползучесть бетона. //ACI Journal, February 1966, Vol.63, No.2, pp.267-289.

13. Neville A.M., Dilger W.H., Brooks J.J. Creep of Plain and Structural Concrete. Ползучесть обычного и структурного бетона. Longman Group, New York, 1983.

14. Neville A.M. Properties of Concrete. Свойства бетона. Third Edition, Pitman Publishing, London, 1981.

15. Ngab A.S., Nilson A.H., Slate F.O. Shrinkage and Creep of High Strength Concrete. Усадка и ползучесть высокопрочного бетона. //ACI Journal, July/August 1981, Vol.78, No.4, pp.255-261.

16. Parrot L.J. The Properties of High-Strength Concrete. Свойства высокопрочного бетона. Technical Report No. 42.417, Cement and Concrete Association, Wexham Springs, 1969.

17. Ramachandran V.S. Concrete Admixtures Handbook. Руководство по бетонным добавкам. 2nd Edition; Noyes Publications; Park Ridge, New Jersey, USA, 1995.

18. Rossi P. Une nowvelle approche concernant le fluage et la relaxation propres du beton. Новый подход к рассмотрению явлений ползучести и релаксации бетона. //Bull. Liais. Lab. ponts et chaussees. 1988, №153, pp.73-76.

19. Smadi M.M., Slate F.O., Nilson A.H. Shrinkage and Creep of High-, Medium-, and Low-Strength Concretes. Усадка и ползучесть высоко-, средне- и низкопрочного бетона. //ACI Materials Journal, May/June 1987, Vol.84, No.3, pp.224-234.

20. Yamamoto T. Creep and Shrinkage of High-Strength Reinforced Concrete Columns. Ползучесть и усадка высокопрочных армированных бетонных колонн. //Transactions of the Japan Concrete Institute. 1990, Vol.12, pp.101-106.

21. Zhao Qingxin, Sun Wei, Miao Chang-wen, Tian Qian, Zheng Ke-ren, Lin Wei. Характер ползучести высокопрочного бетона, содержащего доменный гранулированный шлак и летучую золу. //Wuhan ligong daxue xuebao = J. Wuhan Univ. Technol, 2005, No.11, pp.35-38.

22. Zia P., Leming M.L., Ahmad S.H. High-Performance Concrete: A State-of-the-Art Report. Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, D. C., 1991, 251 pp. (SHRP-C/FR-91-103; PB92-130087)

23. Zia P., Ahmad S.H., Leming M.L., Schemmel J.J., Elliott R.P. Mechanical Behavior of High Performance Concretes, Volume 5: Very High Strength Concrete. Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, D. C., xi, 1993, 101 pp. (SHRP-C-365).

24. Карапетян К.А. Исследование ползучести весьма старого бетона с учетом процесса десорбции химически несвязанной воды. //Изв. АН Армении. Мех., -2004. №4. - С.66-72.

25. Невилль А.М. Cвойства бетона. Сокращенный перевод с английского В.Д. Парфёнова и Т.Ю. Якуб. Учебное издание. М.:, Изд-во литературы по строительству. 1972 г. 345 стр.

26. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. -М.: Стройиздат, 1979. -344 с., ил.

email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

 

Теоретическая механика   Сопротивление материалов

Прикладная механика  Детали машин  Теория машин и механизмов