3 вида деформации бетона и причины возможных изменений

3 вида деформации бетона и причины возможных изменений

Изменение формы и размера стройматериала под внешними воздействиями называется относительная деформация бетона. Она бывает объемной и силовой. Под влиянием усадки или сокращения бетонного камня из-за влияния на него химико-физических процессов, которые получаются в результате взаимодействия цементного камня, влаги и температурного режима развивается объемная во всех направлениях деформация изделия. Силовое изменение происходит только вдоль действия усилий.

  1. Что такое деформация бетона?
  2. Виды бетонной деформации
  3. Особенности и причины
  4. Расчет деформации
  5. Деформационные характеристики

Определение упругости и единицы измерения

Значение модуля любого вида бетона определяется согласно действующему СП 52-101-2003. Это нормативный документ, таблицы которого содержат все необходимые коэффициенты для определения упругости материала на м2.

Выполняя специальные расчеты с учетом того, какова деформация используемого материала, специалисты могут точно определить величину запаса прочности сооружения арочного типа, любого перекрытия здания, автомобильного или железнодорожного моста.

В литературе для профессионалов параметр упругости принято обозначать буквой Е. На его величину влияет действующая нагрузка и структура бетона. За единицу измерения взят паскаль, поскольку напряжение, вызванное в опытном образце действующей на него силой, измеряется в паскалях.

На модуль упругости В20 и других видов влияет технология производства, в частности способ твердения: естественный, автоклавный или тепловой обработки. Важную роль играют эксплуатационные характеристики материала.

Поэтому такой показатель, как упругость не одинаковый у одного класса. Например, если рассматривать ячеистые или тяжелые материалы, имеющие одно и то же значение прочности на м2, то величины их модулей будут разные.

Для того чтобы повысить модуль упругости бетона В15, специалисты рекомендуют использовать различные методы его изготовления. Так, при автоклавной обработке появляются более высокие упругие свойства, достигающие цифры 17. Применяя тепловую обработку с использованием атмосферного давления, можно увеличить значение до 20,5. Наибольшая величина модуля достигается при естественном твердении.

Подобным образом можно поднять модуль упругости В25 — самого популярного у строителей. При этом важно помнить, что при увеличении показателя класса материала растет и показатель его сопротивляемости упругим деформациям.

Какие факторы определяют модуль упругости бетона В25 и бетонов других классов

На величину модуля упругости влияют следующие факторы:

  • характеристики наполнителя. Величина показателя прямо пропорциональна удельному весу бетона. При небольшой плотности значение модуля упругости меньше, чем у тяжелых мелкозернистых стройматериалов, содержащих плотный гравийный или щебеночной наполнитель;
  • классификация бетона. Каждый класс бетона по прочности имеет свое значение модуля упругости. С возрастанием класса бетона одновременно увеличивается значение модуля упругости. Начальное значение модуля упругости бетона класса В10 составляет 19, а для бетона В30 равно 32,5;
  • возраст монолита. Величина параметра, характеризующего упругость материала и продолжительность эксплуатации, связаны прямым соотношением. Оно не имеет предела пропорциональности – с увеличением возраста бетона возрастает крепость бетонной структуры. Используя существующие таблицы, специалисты определяют искомую величину с учетом поправочных коэффициентов;
  • технологические особенности изготовления бетона. Технологией производства бетона предусмотрена обработка при атмосферном давлении и возможность застывания стройматериала в естественных условиях, а также в автоклавах под воздействием повышенного давления и высокой температуры. Условия, при которых твердел бетон, влияют на показатель;
  • продолжительность нахождения бетона под нагрузкой. Расчет модуля упругого сопротивления производится путем умножения табличного значения на корректирующий коэффициент. Для ячеистых бетонов с пористой структурой величина составляет 0,7; для плотного бетона – 0,85;

Модуль упругости бетона разных классов

  • концентрация влаги в воздушной среде. В зависимости от влажности воздуха изменяется концентрация влаги в бетоне, что влияет на его способность воспринимать предельные нагрузки. Температура окружающей среды также влияет на значение модуля упругости;
  • наличие пространственной решетки, изготовленной из арматурных прутков. Армирование повышает способность бетонного массива сопротивляться разрушающим деформациям и воспринимать действующие нагрузки. Расчетное сопротивление для арматуры указано в нормативных документах.

Модуль зависит от комплекса факторов. Их следует учитывать при выполнении прочностных расчетов. Независимо от упругости массива, помните, что наличие арматурной решетки значительно повышает сопротивляемость бетона действующим нагрузкам.

Для усиления используйте арматуру повышенного класса. Не забывайте, что значение нормативного сопротивления для арматуры класса A6 выше, чем величина сопротивления для арматуры класса А1.

Способы определения

Модуль упругости бетона определяют:

  • механическим испытанием образцов;
  • неразрушающим ультразвуковым методом, основанным на сравнении скорости распространения волн в существующей конструкции и испытанном образце с заданными характеристиками.

Механический способ

Исследование первым методом проводят согласно ГОСТ 24452-80. Изготавливают образцы с сечением в виде квадрата или круга с соотношением высоты к диаметру (ширине), равным 4.

Образцы сериями по три штуки выбуривают, высверливают или выпиливают из готовых изделий, либо набивают формы согласно ГОСТ 10180-78. До начала испытаний призмы или цилиндры выдерживают под влажной тканью.

Для определения модуля упругости бетона используют прессы со специальными базами для измерения деформаций. Они состоят из приборов, расположенных под разными углами к граням образца. Индикаторы крепят к стальным рамкам или приклеенным опорным вставкам.

Если испытания проводят для конструкций, работающих при повышенной влажности или высокой температуре, выполняют специальную подготовку по ГОСТ 24452-80.

Испытания проводят по схеме:

  1. Образцы с индикаторами помещают под пресс, совмещая ось заготовки с центром плиты оборудования. Величину разрушающей нагрузки назначают, исходя из марочной прочности бетона.
  2. Нагрузку увеличивают постепенно, ступенями по 10% от разрушающей. Выдерживают интервалы 4-5 минут.
  3. Доводят усилие до 40-45% от максимального. Если программа не предусматривает другие требования, приборы снимают. Дальнейшее нагружение проводят с постоянной скоростью.
  4. Производят обработку результатов для каждого образца при нагрузке, равной 30% от разрушающей. Все данные заносят в журнал испытаний.

На основе исследований можно судить о начальном модуле упругости бетона. Эта величина характеризует свойства материала при нагрузке, в пределах которой в образцах возникают обратимые изменения. Показатель обозначается как Eb, его значение для каждого класса бетона внесено в таблицы строительных норм и маркировку изделий.

Так, модуль упругости бетона В15 естественного твердения составляет 23, а подвергнутого тепловой обработке 25 МПа*10 -3 .

Величина модуля упругости бетона для классов В20, В25, В30, В35 и В40 равна 27, 30, 32,5, 34,5 и 36 МПа*10 -3 . В пропаренных конструкциях она соответствует 24,5, 27, 29, 31 и 32,5 МПа*10 -3 .

Ультразвуковой способ

Применяется для исследования конструкций без их локального разрушения. При повышенной влажности такой метод определяет модуль упругости с погрешностью 15-75%, так как скорость распространения ультразвуковых колебаний в водной среде возрастает.

Чтобы избежать ошибок при измерениях, разработан метод определения модуля Юнга с учетом влажности бетона. Он основан на опытных испытаниях серий образцов с различной водонасыщенностью.

Нормативные и расчетные значения сопротивления бетона получают, используя корректирующие коэффициенты с учетом условий работы конструкции. Методика расчета описана в СП 63.13330.2012.

Факторы, влияющие на модуль Юнга

Модуль Юнга – это основная характеристика бетона, определяющая его прочность. Благодаря величине проектировщики проводят расчёты устойчивости материала к различным видам нагрузок. На показатель влияют многие факторы:

  • качество и количество заполнителей;
  • класс бетона;
  • влажность и температура воздуха;
  • время воздействия нагрузочных факторов;
  • армирование.
Читайте также  Бетонные потолки в интерьере

ФОТО: dostroy.com Модуль упругости позволяет проектировщикам правильно рассчитывать нагрузку

Качество и количество заполнителей

Качество бетона зависит от его заполнителей. Если компоненты имеют низкую плотность, соответственно, модуль Юнга будет небольшим. Упругость материала возрастает в несколько раз, если применяются тяжёлые наполнители.

ФОТО: russkaya-banja.ru Крупные компоненты увеличивают характеристики упругости

ФОТО: ivdon.ru График зависимости предела прочности материала от цементного камня

Класс материала

На коэффициент влияет и класс бетона: чем он ниже, тем меньше значение модуля упругости. Например:

  • модуль упругости у В10 соответствует значению 19;
  • В15 – 24;
  • В-20 – 27.5;
  • В25 – 30;
  • показатель у В30 возрастает до значения 32,5.

ФОТО: buildingclub.ru Зависимость от класса бетона

Как влияют на показатель влажность и температурные значения

На рост деформаций и уменьшение упругих свойств материала влияют:

  • повышение температуры воздуха;
  • увеличение солнечной активности.

Под воздействием негативных факторов окружающей среды внутренняя энергия материала увеличивается, это приводит к линейному расширению бетона и соответственно, к увеличению пластичности.

Важно! Понижение температурных колебаний от 20 °C не учитывают в расчётах.

На ползучесть материала оказывает влажность, приводящая к изменению упругих характеристик. Чем выше содержание водяных паров, тем ниже коэффициент.

ФОТО: betonpro100.ru Влияние влажности на ползучесть бетона

Время воздействия нагрузки и условия твердения смеси

На показатель упругости влияет время воздействия нагрузки:

  • при мгновенном усилии на бетонную конструкцию деформативность прямо пропорциональна величине внешней нагрузке;
  • при длительном воздействии значения коэффициента уменьшаются.

Во время проведения исследований было отмечено, если бетон твердеет естественным способом, модуль упругости у него выше в отличие от пропаривания материала в различных условиях. Это объясняется тем, что при использовании внешних условий в бетоне образуются пустоты и поры в большом количестве, ухудшающие его упругие свойства.

ФОТО: udarnik.spb.ru Зависимость модулей упругости от разных факторов

Возраст бетона и армирование конструкции

Прочность бетона находится в прямой зависимости от его возраста, со временем показатель только увеличивается. Ещё один фактор, положительно влияющий на модуль упругости бетона, – армирование, которое препятствует деформации материала.

ФОТО: 63-ds.netsamara.ru Для конструкций, которые будут эксплуатироваться под большими нагрузками, необходима укладка металлической решётки

Понятие модуля упругости бетона и единицы измерения

В процессе эксплуатации твёрдые тела подвергаются нагружению и начинают деформироваться. Сначала протекающие деформационные изменения являются обратимыми, а их величина от прикладываемого усилия является линейной. Как только нагрузка снимается, изделие полностью восстанавливает первоначальную форму. Для описания протекающих процессов используется закон Гука, согласно которому в качестве коэффициента пропорциональности между абсолютным сжатием либо удлинением и прикладываемым усилием используется модуль упругости.

Определение данного показателя звучит следующим образом: модуль упругости – коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и соответствующей ему относительной продольной деформацией. Измеряется в кгс/см² (Н/м², Па). Называют модулем Юнга.

Как только нагрузка превысит определённый уровень, начинается фаза необратимых изменений. Деформативность становится неупругой. Сдвиг увеличивается без дальнейшего приложения нагрузки. В зоне ползучести внутренние связи начинают разрушаться, и бетонная конструкция теряет прочность.

ФОТО: gidrocor.ru При превышении определённого значения бетонная конструкция начинает разрушаться

От чего зависит упругость бетона

1. Состав

Бетон с более высоким модулем упругости подвергается меньшей относительной деформации.

Значительную роль в этом играет качество цементного камня и наполнителя – двух компонентов, из которых и состоит бетон. И раствор, и заполнитель берут на себя всю нагрузку. При анализе зависимости модуля упругости бетона от модуля упругости его составляющих, исследователи выяснили, что прочность заполнителя не всегда задействуется для улучшения характеристик готового материала, а вот показатель упругости оказывает значительное влияние.

2. Класс

Начальный модуль упругости бетона при сжатии и расширении зависит от класса изделия по прочности на сжатие.

Эта зависимость устанавливается путем применения эмпирических формул, поэтому для практических целей проще всего получать информацию из готовой таблицы. Даже без сложных математических расчетов можно заметить, что модуль упругости увеличивается пропорционально прочности материала. Другими словами, чем выше класс, тем больше модуль упругости бетона, т. е. материал класса В25 является более устойчивым к относительным деформациям по сравнению с В20.

Что влияет на модуль упругости?

  • Прямое воздействие оказывают свойства компонентов в бетоне. Мало того, данная подвластность полностью прямолинейная. У бетонов с небольшим весом этот показатель меньше, а вот у более тяжелых крупнозернистых видов он больше.
  • Классификация бетона. Для выяснения зависимости искомого коэффициента составлена специальная таблица. Обычный потребитель в работе применяет небольшой перечень данных изделий, в связи с этой причиной нет необходимости приводить ее целиком. По известным показателям прочности и модуля понятно, что они пропорционально зависят друг от друга. Причем, данная зависимость не меняется при температурном воздействии ниже 230С. То есть в основном показатели не меняются вообще. Данный нюанс дает возможность контролировать такую характеристику продукта, как упругость, к тому же это выполнимо в одних и тех же классах материала. Это свойство учитывают для того, чтобы знать какой из продуктов может быть установлен. При возведении загородных частных домов применяют довольно маленький перечень бетонных растворов, согласно их классности. Чаще всего этот выбор происходит в диапазоне от В7 до В30, а также М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400. Однако данного ассортимента полностью хватает для возведения малоэтажных зданий. Это возможно, даже если в строительстве применяются плитные цоколи, а также формируются арки для декорирования.
  • Возраст бетона. Известна зависимость между повышением искомого коэффициента и периода эксплуатации. По этой причине во время определения показателя в нужный отрезок времени, применяют специальные таблицы. В ней указаны первичные данные, которые необходимо умножить на поправочные модули.
  • Метод переработки компонентов. Большую роль играет то, в каких условиях происходило застывание бетона. Ведь он мог отвердеть естественным образом, во время термического воздействия либо с применением автоклава.
  • Длительность влияния давления. Чтобы выяснить этот показатель, начальный показатель множат на требуемый модуль. Для каждого из типов бетона данный модуль имеет свое значение. Для легких, тяжелых и мелкозернистых – 0,85, для поризованных – 0,7.

Прежде чем изучить другие нюансы, оказывающие воздействие на анализируемую характеристику, необходимо подробнее рассмотреть такое определение, как ползучесть бетона. Данный показатель оказывает большое влияние на стадию разрушения изделия. Ведь при недолгой малой нагрузке материал деформируется, но после прекращения воздействия он возвращается в изначальное состояние.

Данный момент можно детально не разбирать, так как весьма сложно определить вид деформации. Внешне пластичная и упругая деформация никак не отличается. Однако стоит указать, что пластичное разрушение объясняется свойством ползучести бетона. В частности, именно этот параметр берется в расчет при долгом воздействии на материал. Модуль ползучести также имеет свое буквенное обозначение:

  • Влагосодержание в окружающем воздухе. Данное обстоятельство связано с модулем ползучести. Если необходимо точное значение, то она также узнается из соответствующих таблиц. В таком случае во внимание также берутся температура и уровень радиационного фона.
  • Наличие металлического каркаса для армирования. Благодаря своему составу, металл не так сильно подвержен разрушениям вследствие воздействия, в отличие от простого бетона.
Читайте также  Перекрытия из керамзитобетона

Необходимо отметить, что каким бы ни был показатель упругости, металл всегда превосходит бетон по прочности. Благодаря такому свойству, использование каркаса для армирования в любом случае повысит собственный показатель упругости у бетонного изделия.

Начальный модуль

Коэффициент напрямую зависит от температурных условий. Он остается неизменным до определенного порога температуры, который у каждого класса свой. Например, материалы, имеющие температуру плавления 300 ⁰C, при превышении порога могут потерять частично свою устойчивость к деформации. Хотя бетон и не относится к материалам, которые плавятся, но при воздействии высокой температуры нарушается структура массива.

Существуют таблицы, в которых в соответствии со всеми установленными правилами указаны нужные значения. С их помощью можно определить начальный модуль упругости бетона В20, В25, В30 и других классов. Зная классность материала, его плотность и технологию производства, можно легко узнать этот параметр. Для этого для расчетов используются необходимые коэффициенты упругости, плотности и модуль деформации бетона В30, В15 и т. д.

Помимо этого, модуль упругости определяется во время исследований на пробах по бетону. Такой параметр принято обозначать буквой Е. В профессиональных кругах у него есть второе название — модуль Юнга бетона.