Упругость бетона
Упругие деформации бетона под нагрузкой определяются модулем упругости. Чем выше модуль упругости, тем меньше при данной нагрузке будет относительная деформация.
Помимо факторов, связанных с качеством цементного камня, модуль упругости бетона зависит от содержания и качества заполнителей.
Бетон можно рассматривать как конгломерат из двух компонентов: цементного камня (раствора) и заполнителя. Каждый из этих компонентов занимает в сечении бетона определенную часть и участвует в восприятии нагрузки.
Попытаемся выразить аналитически зависимость модуля упругости бетона от модулей упругости его составляющих, приняв упрощенные структурные модели бетона, в том или ином виде использумые рядом исследователей.
Если прочность заполнителя в бетоне не всегда полностью используется и, следовательно, не всегда проявляется, то модуль упругости заполнителя непременно отражается на модуле упругости бетона.
Модуль упругости гранита и подобных ему горных пород, часто используемых для производства крупных заполнителей, составляет около 50 000 МПа, что в среднем примерно вдвое выше модуля упругости растворной части бетона. Для этого случая получили, что модуль упругости обычного (с крупным заполнителем) бетона должен на 32 ... 35% превышать модуль упругости раствора (мелкозернистого бетона). Если обратиться к СНиП 2.03.01—84, где в результате обобщения опытных данных приведены нормативные значения модулей упругости различных бетонов, то в сопоставлении модулей упругости обычных (тяжелых) и мелкозернистых бетонов найдем подтверждение реальности выполненных расчетов.
Однако горные породы типа базальтов имеют модуль упругости около 100 000 МПа. Поэтому модуль упругости бетона на базальтовом щебне выше нормируемого и более соответствует данным .
Соотношение между средними напряжениями в компонентах бетона более сложно, чем отношение их модулей упругости, как это представляется из рассмотрения простейшей модели бетона № 1 и часто принимается в расчет.
Физическая сущность этого раскрывается с позиций теории упругости. Растворный скелет бетона можно представить как среду с отверстиями, в которые вставлены зерна заполнителя той или иной жесткости. Ради упрощения задачи рассмотрим случай растяжения (или сжатия) полосы с круглым отверстием (по отношению к бетону это означает, что Е3=0) и случай, когда в такое отверстие впаян абсолютно жесткий диск.
Это подтверждает описанное выше представление об используемой прочности заполнителей: прочность гранита не используется полностью в бетоне, так как он недогружен (эпюра вогнута), а прочность пористых заполнителей в бетонах чрезмерно высоких марок недоиспользуется из-за их относительной перегрузки и преждевременного выхода из строя.
Правильность изложенных выше теоретических положений (С. М. Ицкович) подтверждается экспериментальными исследованиями, в частности с помощью фотоупругих покрытий (Ф. Ф. Губин и др.) и на моделях с тензодатчиками (М. Л. Нисневич и др.).
Знание закономерностей распределения напряжений при совместной работе цементного камня и заполнителей в бетоне позволяет подбором соответствующих заполнителей получать бетон с требуемыми упругими свойствами.