При действии нагрузок или изменении внешних условий (например температуры) твердые тела претерпевают деформации. Они делятся на упругие (исчезающие после снятия нагрузок) и пластические (необратимые). При деформировании в телах возникают напряжения — внутренние силы, противодействующие деформациям.
В ненагруженном материале атомы находятся на расстояниях, при которых эти силы взаимно уравновешиваются. При деформациях сжатия атомы «принудительно» сближаются и между ними возникают силы отталкивания, при деформациях растяжения возникают силы притяжения. Эти внутренние силы и являются напряжениями.
Величину напряжений при сжатии или растяжении можно рассчитать, как нагрузку, отнесенную к площади поперечного сечения образца т. е. используется та же формула, а для бетона и те же единицы (МПа), что и для прочности.
Напряжения в бетоне могут возникать и при отсутствии нагрузки. Они называются внутренними напряжениями. Эти напряжения возникают при изменении температуры или высыхании бетона, если соответствующим температурным и усадочным деформациям что-либо препятствует (например, длина бетонного элемента фиксирована).
Поэтому связь напряжений и деформаций в бетоне может быть различной:
- при внешних нагрузках деформации увеличиваются с ростом напряжений;
- при деформациях другой природы, протекающих без препятствий (например температурных или усадочных), напряжений не возникает. Но если эти деформации чем-либо ограничиваются (например, длина тела фиксирована), в бетоне возникают напряжения.
Таким образом, картина противоположна предыдущей: или бетон деформируется, или в нем возникают напряжения.
Усадка бетона
Усадкой называется уменьшение размеров бетона, происходящее при снижении его влажности. Обратный процесс — увеличение размеров при увлажнении — набухание.
Существует несколько разновидностей усадки:
- начальная усадка (или осадка), протекающая в свежеот-формованном, еще пластичном бетоне;
- аутогенная усадка, происходящая при отсутствии влаго-обмена твердеющего бетона с окружающей средой. Влажность его в этом случае снижается вследствие химического связывания воды. Наибольшую величину аутогенная усадка имеет для бетонов с низкими В/Ц, в обычных бетонах ее роль незначительна;
- влажностная усадка, вызываемая высыханием бетона — основной ее вид, который и рассматривается ниже.
«Виновником» усадки бетона является цементный камень. Ее причины заключены в самой структуре камня, а именно — в наличии капиллярных пор и гелевой составляющей (частиц гидросиликатов, покрытых водными оболочками).
Высыхание бетона происходит в определенной последовательности: сначала теряют воду самые крупные поры, затем все более и более мелкие.
Начало испарения воды из капилляров приводит к образованию в них водных менисков и возникновению капиллярных сил. Это те самые силы, что вызывают поднятие воды по капиллярам. В данном случае они направлены со всех сторон вглубь бетона, что и приводит к его сжатию. Продолжение высыхания приводит к перемещению водных менисков во все более узкие части капилляров и возрастанию капиллярных сил и капиллярной усадки.
Степень высыхания бетона зависит от относительной влажности окружающего воздуха (ф). Чем ниже ее значения, тем меньше становится диапазон размеров капилляров, еще удерживающих воду.
Полностью капилляры освобождаются от воды при ф = 45%, и капиллярный механизм усадки перестает действовать. Но при дальнейшем снижении влажности начинается испарение воды из геля. Это приводит к гелевой усадке бетона (сближаются частицы гидросиликатов, постепенно теряющие оболочки адсорбированной воды). В итоге усадка протекает во всем диапазоне снижения влажности окружающего воздуха. Чем она ниже, тем величина усадки больше.
Со временем усадка прекращается, так как влажность бетона приходит в равновесие с окружающей средой
Пр увлажнении бетона его размеры увеличиваются, при повторном высыхании — вновь уменьшаются. Бетоны, эксплуатируемые н условиях переменной влажности, претерпевают многократные деформации усадки и набухания. Их влияние негативно и может приводить к «расшатыванию» структуры бетона. Величина влажностных деформаций уменьшается со временем, так как продолжающаяся гидратация цемента способствует уплотнению бетона.
Переменное увлажнение и высушивание является наиболее неблагоприятным видом влажностного режима при эксплуатации конструкций. Согласно ГОСТ 31384 ему присвоен класс ХС-4.
Значительное влияние на величину усадки оказывают технологические факторы. Она возрастает при увеличении тонкости помола цемента, В/Ц, содержания воды и цемента в бетонной смеси (т. е. объема цементного камня в бетоне).
С ростом концентрации заполнителей в бетоне усадка уменьшается. Если для чистого цементного камня она составляет 3-5 мм/м, то для раствора 0,6-1 мм/м, а для бетона 0,2-0,4 мм/м.
Величина усадки и ее скорость существенно уменьшаются при увеличении сечения конструкции. Так, при сечении 4x4 см половина усадки протекает в течение недели, а при сечении 30x30 см — в течение года. Поэтому наиболее опасна усадка для тонкостенных конструкций.
