В.Д.КОПЫЛОВ, канд.техн.наук, проф. (МГСУ), Формирование напряженного состояния бетона в процессе термообработки
В процессе твердения бетона, особенно при тепловом воздействии, вследствие структурных, температурных и влажностных изменений в нем возникают и формируются внутренние напряжения. Причем они появляются при отсутствии условий для свободного протекания деформаций.
Напряженное состояние твердеющего бетона формируется под влиянием целого комплекса протекающих в нем процессов, обусловливающих различные по знаку и величине напряжения. К ним относятся: осадка бетона; седиментационная, контракционная и влажностная усадки; характер температурного поля; явления, возникающие вследствие температурного расширения компонентов бетона; интенсивность структурообразования (рост кристаллической составляющей и формирование прочностного поля по объему конструкции, препятствующих свободному протеканию деформаций). Кроме внутренних препятствий деформациям (и в первую очередь температурному расширению), существуют и внешние, к которым относится опалубка, обеспечивающая соответствие размеров возводимой конструкции проектным. Опалубку рассчитывают на восприятие различных статических и динамических нагрузок, возникающих при укладке и уплотнении бетонной смеси. Их величины достигают 1,5 кг/см2, что значительно превышает давление, образуемое при разогреве бетона. При подъеме температуры в бетоне под влиянием комплекса протекающих процессов в нем формируется сложное напряженное состояние. Характер, распределение и величина напряжений по объему конструкций обусловливается комбинацией воздействующих факторов и количественной характеристикой каждого. Поэтому величина и даже характер напряжений в различных зонах конструкции в каждый момент времени не являются постоянными и изменяются.
Существенную роль в формировании напряженного состояния играет направление подачи тепла в бетон. При внутреннем подводе тепла (сквозной электропрогрев) разогрев бетона, осуществляемый сразу после укладки и уплотнения смеси, вызывает стремление всех его компонентов увеличить свой объем в соответствии с коэффициентом температурного расширения. В этот же период протекают процессы, обусловливающие уменьшение объема бетона (в первую очередь, констракционная усадка). Как правило, превалирующими являются деформации расширения. Однако свободному их проявлению препятствует опалубка. Расширение может происходить только в сторону неопалубленной, главным образом верхней поверхности. Увеличению размеров основного объема конструкции (кроме поверхностного слоя) в вертикальном направлении препятствует воздействие массы вы- шерасположенного бетона. Причем величина этой нагрузки в различных по высоте зонах конструкции неодинакова. Давление же, возникающее в бетоне от стремления к расширению нагреваемой паровоздушной смеси, во всех зонах практически одинаково. Исключение наблюдается только в верхнем слое конструкции, величина которого зависит от характеристик бетонной смеси, параметров и условий разогрева. Наибольшая толщина этого слоя имеет место при разогреве в условиях исключенного массо- обмена бетона с окружающей средой. В зонах конструкции, расположенных ниже этого слоя, давление паровоздушной смеси одинаково. Соответственно формируются внутренние сжимающие напряжения. По высоте верхнего (“деятельного”) слоя они распределяются по треугольнику, а ниже — по прямоугольнику.
Но указанное изменение внутренних напряжений характерно только для периода разогрева бетона в условиях исключенного массообмена с окружающей средой. При разогреве в условиях ограниченно-свободного массообмена (верхняя поверхность открыта) в верхнем слое одновременно с расширением протекают влажностные усадочные деформации. Причем по высоте слоя они неодинаковы и имеют характер усеченного конуса вершиной вниз, что вызывает растягивающие напряжения, непостоянные по высоте. В то же время существующая еще пластичность бетона позволяет протекать усадке довольно свободно, без возникновения ощутимых растягивающих напряжений. При потере пластичности бетона в этом слое наблюдается сложное напряженное состояние: растягивающие напряжения вверху и сжимающие — внизу.
Экспериментально-аналитическими исследованиями установлено, что при скорости разогрева 60°С/ч до температуры 80°С толщина верхнего “деятельного” слоя бетона составляет около 12 см, а максимальные сжимающие напряжения, возникающие в нижнем сечении этого слоя и в нижележащем объеме бетона, не превышают 25 г/см2. Однако вследствие еще достаточно высокой пластичности и недостаточной прочности бетона в этот период происходит релаксация напряжений, и величина их существенно уменьшается, а в начале изотермического выдерживания выравнивается по всему объему конструкции. Необходимо иметь в виду также, что высокий темп повышения температуры вызывает интенсивное выделение экзотермического тепла уже после окончания разогрева бетона, что может привести к изменению температурного поля и, в частности, к превышению заданной температуры прогрева (особенно в центральных зонах), и вызвать некоторое повышение напряжений в этих зонах по сравнению с периферийными. Но и в этом случае, вследствие миграции влаги и паровоздушной смеси под действием температурного градиента и перемещения их в “резервные” поры и капилляры, расположенные в периферийных зонах, произойдет повторное выравнивание напряжений. Кроме того, это обеспечивает перераспределение напряжений и сравнительно неравномерное нарастание прочности бетона по объему конструкции. При разогреве с малыми скоростями (около 20°С/ ч) величины напряжений значительно меньше, но их максимум достигается к моменту приобретения бетоном определенной прочности и полной потери пластичности, когда релаксация напряжений протекает незначительными темпами.
При наличии опалубки, препятствующей расширению бетона, возникающее в бетоне при разогреве давление обусловливает появление внутренних напряжений и формирование напряженного состояния. Причем при равномерном нагреве всего бетона давление возникает и возрастает ин- дентично во всех частях конструкции и, следовательно, напряжения будут максимальны (для данных конкретных условий) и одинаковы. Естественно, при возможности частичного выхода паровоздушной смеси из периферийных зон конструкции давление в них будет меньше по сравнению с внутренними зонами. Это приведет к перераспределению напряжений и выравниванию их по всему объему бетона на более низком уровне.
При неравномерном нагреве бетона (что имеет место при периферийном электропрогреве, всех способах обогрева и твердении бетона в условиях жаркого климата) различное по объему конструкции давление выравнивается в результате перемещения паровоздушной смеси в “резервные” поры и капиллярь ..еньшего диаметра, а также по имеющимся или образовавшимся из-за разрушения межпо- ровых перегородок капиллярам в зону меньшего давления. Величина выравненного давления меньше максимального возможного давления в наиболее нагретых зонах и, следовательно, меньше сжимающие напряжения. Кроме того, постоянное изменение давления и неравномерное нарастание прочности бетона по объему конструкции обеспечивают перераспределение напряжений и формирование более благоприятного напряженного состояния. Поэтому нельзя считать правильным существующее мнение об отрицательном влиянии неравномерного разогрева бетона на свойства и качество конструкций.
Напротив, неравномерное повышение температуры по объему конструкции и неодновременное достижение ее максимальной величины в различных частях конструкции обусловливает значительно меньшие величины давления по сравнению с равномерным разогревом всего объема бетона и, следовательно, меньшие величины напряжений и более благоприятное напряженное состояние конструкции.
Как правило, при сквозном электропрогреве вследствие комплексного влияния ряда факторов температура бетона в центральных зонах конструкции превышает температуру в периферийных слоях. Соответственно, неодинаков темп роста прочности и увеличения напряжений. Поэтому, несмотря на частичное перераспределение и релаксацию напряжений, после затвердения бетона величина их в центральных зонах выше, чем в перифе- рийеых. Внутреннее напряженное состояние, сформированное в процессе твердения, в затвердевшем материале может сохраниться довольно длительный промежуток времени. Следовательно, препятствие расширению основной массы бетона при разогреве способствует возникновению в затвердевшем бетоне сжимающих напряжений по всему объему конструкции. Характер влияния напряжений на работу конструкции зависит от вида нагрузки. Так, при воздействии растягивающих нагрузок эти сжимающие внутренние напряжения повышают несущую способность конструкции, а при работе ее на сжатие — понижают.
При других направлениях теплового потока характер напряжений будет иной. Подача тепла снаружи (периферийный электропрогрев, обогрев в термоопалубке, инфракрасными лучами и т.п.) обусловливает более сложный процесс формирования температурного поля: на ранней стадии разогрева поверхностные слои бетона имеют температуру выше, чем внутренние; по мере дальнейшего разогрева периферийных зон тепло передается во внутренние зоны, повышая их температуру, провоцирует интенсификацию экзотермического тепловыделения. Вследствие этого температура бетона по объему конструкции выравнивается, а затем происходит превышение температуры в центральных зонах по сравнению с периферийными. Соответствует формированию поля характер нарастания прочности по объему конструкции: вначале — интенсивный рост прочности материала в поверхностных зонах с последующим увеличением прочности в других зонах; на более поздней стадии — интенсивнее растет прочность в центральных зонах конструкции и в какой-то момент времени может превышать прочность бетона в периферийных зонах.
В соответствии с этим будет формироваться напряженное состояние. На ранней стадии прогрева достигшие некоторой прочности поверхностные слои бетона будут препятствовать расширению позже разогреваемых центральных зон и подвергаться определенному давлению, которое вызывает в них растягивающие напряжения. Однако эти напряжения сравнительно невелики, так как на ранней стадии прогрева объем бетона, обладающего прочностью, мал, но и мало давление, возникающее вследствие стремления к расширению нагретой внутренней части бетона. Одновременно с повышением внутреннего давления (вследствие увеличения объема разогреваемого бетона и его температуры) возрастают прочность и объем материала, приобретающего достаточную для восприятия определенного давления прочность. Возрастают и напряжения: растягивающие в периферийных зонах и сжимающие — в центральных.
Изменение характера и величины внутренних напряжений происходит вследствие деформаций или ползучести бетона, уменьшающих или снимающих напряжения. Под ползучестью понимают неупругие деформации, т.е. увеличение во времени деформаций при неизменной нагрузке. Физическая природа ползучести бетона в настоящее время не раскрыта полностью, и существуют различные взгляды на сущность этого явления. Однако достоверно установлено, что увеличение в цементах содержания С3А и C4AF, вызывающих повышение количества кристаллической составляющей в цементном камне, приводит к уменьшению ползучести бетона. При увеличении водоцементного отношения ползучесть возрастает. Повышается она и с ростом содержания цемента в бетоне. Рядом исследователей выявлено, что при растяжении ползучесть бетона на 20...30% выше, чем при сжатии. Объясняют это влиянием микродефектов структуры бетона, неизбежно возникающих в нем при растяжении, особенно в молодом возрасте. Причем чем меньше возраст бетона, тем больше деформации ползучести. Сущность этой зависимости можно объяснить тем, что с увеличением возраста бетона увеличивается его прочность и уменьшается содержание геля. Опытами отдельных авторов показано существенное влияние влажности бетона на ползучесть: по мере ее уменьшения ползучесть возрастает.
Сказанное о ползучести бетона интересно нам вследствие взаимосвязи ее со способностью бетона к релаксации напряжений. Существующие взаимосвязи ползучести и релаксации напряжений в бетоне позволяют аналитически, по известной ползучести, прогнозировать величины релаксации напряжений.
Способность бетона к релаксации напряжений, особенно в ранние сроки твердения, обеспечивает уменьшение их величины при тепловой обработке, перераспределение по всему объему конструкции и формирование более благоприятного состояния, и ее необходимо учитывать при выборе способа и назначении режимов термообработки. В то же время нельзя не учитывать напряжений, формирующихся в конструкциях при остывании после окончания термообработки и в результате массообмена с окружающей средой после распалубливания конструкций.
В процессе остывания бетона каждая элементарная частица стремится уменьшить свой объем в соответствии с коэффициентом температурного сжатия. Кстати, последний у всех компонентов различен. Впрочем, неодинаков он и у заполнителей из различных материалов (гранит, известняк, кварц и др.). Помимо этого, при остывании в распалубленном состоянии происходит испарение воды из бетона и сопутствующая ему влажностная усадка растворной части. Связь, существующая между заполнителем и растворной частью, препятствует уменьшению их объемов. Поэтому в бетоне возникают растягивающие напряжения. Причем, чем меньше прочность бетона к моменту начала остывания, тем ниже напряжения. Объясняется это большей релаксацией напряжений за счет деформаций и “пластичности” цементного камня.
Кроме того, необходимо иметь в виду, что при остывании бетона находящаяся в порах и капиллярах вода и паровоздушная смесь уменьшаются в объеме на большую величину, чем твердые составляющие (так как коэффициент температурного сжатия у последних меньше, чем у воды и паровоздушной смеси). Поэтому в закрытых порах и капиллярах создается разрежение, препятствующее сжатию системы и снижающее растягивающие напряжения в твердом скелете бетона. Сложное напряженное состояние, формирующееся в процессе остывания бетона после окончания тепловой обработки, может играть как отрицательную, так и положительную роль, что зависит от характера напряжений и прилагаемых нагрузок.
Неблагоприятное влияние на эксплуатационные свойства и долговечность конструкций оказывают внутренние растягивающие напряжения при: 1) их величинах, больше критических (т.е. тех, которые может воспринимать бетон), что приводит к возникновению трещин в конструкциях даже без приложения внешних растягивающих нагрузок; 2) их значениях, меньше критических, но при воздействии внешних нагрузок, вызывающих растягивающие усилия во всей конструкции или ее части, образование трещин начинается при меньших, по сравнению с расчетными, нагрузками и, следовательно, уменьшается несущая способность конструкции.
Положительную роль внутренние растягивающие напряжения играют при их величинах, меньше критических, и приложении к конструкции нагрузок, вызывающих сжимающие усилия. В этом случае бетон может воспринять нагрузки больше расчетных, что увеличит несущую способность конструкции. Следовательно, внутренние напряжения, возникающие в процессе остывания бетона после окончания термообработки, целесообразно учитывать при расчете конструкций.
С целью уменьшения давления, возникающего при разогреве бетона, необходимо снизить его водосодержа- ние. В процессе приготовления в бетонную смесь вводится значительно больше воды, чем требуется для нормального протекания физико-химических процессов. Значит, на ранней стадии твердения из бетона, не имеющего еще сформировавшейся структуры, можно безболезненно для твердения и с пользой для формирования структуры удалить некоторое количество воды. Кроме того, целесообразно обеспечить в процессе его разогрева также беспрепятственное удаление расширяющихся паровоздушной смеси и пара. Следовательно, выбор оптимальных параметров и условий выдерживания бетона при интенсификации твердения для каждого конкретного случая (условий окружающей среды, способа и направления подвода тепла, типа конструкций и т.п.) обеспечивает получение высококачественных и долговечных конструкций и элементов зданий и сооружений.
Бетон и железобетон, 1998 №5