Методы испытания и модель для анализа раннего растрескивания ВЦБ от усадки

Усадка бетона является важным фактором, влияющим на его растрескивание; кроме того, на растрескивание бетона влияет ползучесть и изменение динамического модуля упругости в процессе твердения.
В бетоне, уложенном в опалубку и твердеющем в определенных условиях окружающей среды, в результате внутреннего высыхания уже в начальные сроки наблюдаются явления контракционной усадки. В то же самое время, при относительной влажности менее 100%, вода в порах бетона мигрирует в окружающую среду, вследствие чего происходит усадка при высыхании. Степень этих двух усадок связана со структурой пор в бетоне.
При проведении испытаний усадки бетона с помощью метода бетонного кольца фиксируют общую раннюю усадку при высыхании и контракционную усадку. Усадка бетона до момента его растрескивания приводит к возникновению растягивающих усилий на внутренней грани бетонного кольца и зависит от величины динамического модуля упругости. В то же время, действие длительных растягивающих напряжений в бетоне, обладающем свойствами ползучести, приводит к релаксации напряжений и снижению напряжений на внутренней грани бетонного кольца от усадки.
При напряжениях, превышающих предел прочности бетона при сжатии, образующиеся на внутренней грани трещины начинают продвигаться к внешней поверхности бетонного кольца.
С одной стороны, с увеличением возраста бетона усадка, динамический модуль упругости и растягивающие напряжения на внутренней грани бетонного кольца увеличиваются, что повышает вероятность появления трещин; с другой стороны, увеличение предела прочности при сжатии и свойств релаксации с развитием возраста препятствует растрескиванию бетона. В соответствии сданными положениями, предлагается модель для анализа различных факторов, влияющих на раннее растрескивания бетона от усадки (см. рис. 7.6).
Ниже приведены методы испытаний и параметры для анализа и исследования растрескивания ВЦБ от усадки.


Для оценки свойств растрескивания ВЦБ от усадки был использован метод кольца. Оборудование для испытания соответствовало размерам устройства для испытания, которое использовал Karl Wiegrink, но внутренний диаметр кольца размером 275 мм был замен на 254 мм. Схема устройства показана на рис. 7.7.
Устройство состоит из стального кольца и внешнего кольца из листового железа; предварительно устанавливают шайбу толщиной 8 мм с внутренним и внешним диаметром, соответственно, 305 и 375 мм на основание из ПВХ; стальное кольцо располагают на кольце, внешнее - закрепляют болтами. Основание размешают на сварной металлической раме для обеспечения мобильности устройства. Ширину трещин бетонного кольца определяют с помощью микроскопа.

Свежеприготовленный бетон заливают между двумя кольцами; при формовании образца необходимо обращать особое внимание на уплотнение смеси и удаление больших пузырей. После формования образцов их хранят при температуре 20° С и относительной влажности выше 95% в течение 24 ч.; затем снимают внешнее кольцо, а на внешний слой бетона наносят один слой силиката натрия для предотвращения испарения воды. Подготовленный таким образом образец хранится в камере с более сухим воздухом (20° С , RH = 60±5%).
За растрескиванием образца наблюдают через каждые 12 часов; фиксируют время появления первой трещины с момента помещения образцов в камеру. После появления трещин три раза в неделю замеряют ширину максимальной трещины, наблюдая ее развитие с помощью микроскопа. Время растрескивания бетона является очень важным показателем, отражая его способность к раннему растрескиванию под действием усадки. Напряжения, возникающие при усадке бетонного кольца, показаны на рис. 7.8.

Согласно механике упругости, в бетонном кольце возникают сжимающие напряжения or по радиальной стороне и растягивающее напряжение o0 по касательной стороне, определяемые как:

где а - внутренний радиус бетонного кольца;
b - внешний радиус бетонного кольца;
r - радиус бетонного кольца;
P - сжимающее напряжение в бетонном кольце от стального кольца.
При этом по внутреннему краю бетонного кольца возникают напряжения оr = -P и о0 = 4.9P; по внешнему - or = 0 и o0 = 3.9P.
По полученным данным видно, что разница напряжений растяжения между внутренней и внешней поверхностями бетонного кольца составляет около 20%, а величина радиального среднего напряжения при сжатии - 10% от максимального напряжения, что можно не учитывать при оценке влияния неравномерной усадки.
Учитывая, что толщина используемого бетонного кольца составляет только 35 мм, максимальный размер заполнителя не должен быть слишком большим, так как это приведет к неравномерной усадке бетона. В целях устранения воздействия частиц крупного заполнителя на равномерность усадки бетона обычно используют заполнители с размером 5—10 мм.
Согласно данным анализа напряжений видно, что при ограниченной усадке бетонных колец развитие напряжений превышает прочность при растяжении; поэтому трещины возникают на внутренней грани и постепенно распространяются на внешнюю часть бетонного кольца.
Основное преимущество определения растрескивания от усадки методом кольца заключается в формировании равномерного ограничения бетона с помощью простого и легкого в использовании устройства. Данная методика используется многими учеными.
При испытании усадки методом кольца бетон подвергается полному ограничению. В процессе изменения ширины бетонного кольца отражаются комбинированные эффекты свойств усадки, упругости, прочности при растяжении и релаксации напряжений. Отсюда следует, что данная оценка характеризуется коэффициентом критического удлинения бетона под нагрузкой, а этот показатель является основным для ограничения структурных трещин при выполнении бетонных работ.

Для измерения контракционной усадки бетона используются два метода: метод стандартной усадки при высыхании и метод синхронного измерения.
Метод стандартной усадки при высыхании осуществляется в соответствии с GBJ82-85. Образцы представляют собой призмы размером 100x100x515 мм; через I сутки после формования образцов формы разбирают, а образцы помещают в стандартную камеру для выдержки образцов в течение 2 суток. Затем измеряют первоначальную длину образцов, помещают их в камеру с сухим воздухом и измеряют коэффициент усадки в возрасте 2, 3, 7, 14, 28, 45, 60 и 90 суток (возраст измерения отсчитывается с момента размещения образцов в камере с сухим воздухом).
Для расчета значений контракционной усадки бетона в различном возрасте используют следующую формулу:

где et - степень усадки бетона;
Lt - длина образца бетона в возрасте t (мм);
L0 - первоначальная длина образца бетона( (мм).
Второй используемый метод заключается в проведении синхронных исследований образцов в виде призм (свободная усадка) и образцов в виде кольца. Согласно этому методу формуют образцы размером 75x75x400 мм, а также образцы в виде бетонного кольца, для которых применяются одни и те же условия хранения. Затем снимают форму, измеряют первоначальную длину образцов, помещают их в камеру с сухим воздухом (20° С, RH = 60±5%), и измеряют степень усадки в возрасте 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 5, 7, 14, 21, 28, 45, 60 и 90 суток (возраст измерения отсчитывается с момента поступления образцов в камеру с сухим воздухом).
Использование метода синхронного измерения дает возможность комплексно оценить степень контракционной усадки образцов как в свободном, так и ограниченном состоянии. По сравнению с методом синхронного исследования, при использовании которого первоначальный размер образцов измеряется через 1 сутки твердения, согласно стандартному методу первоначальный размер фиксируется через 1 сутки формования и 2 суток твердения в стандартной камере.

Ползучестью называют медленную непрерывную пластическую деформацию твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Ползучесть, в отличие от усадки, снижает внутренние напряжения в конструкции и улучшает коэффициент критического удлинения бетона, способствуя сдерживанию формирования трещин в бетонных конструкциях.
Для получения косвенной оценки трещиностойкости бетонов исследуют ползучесть образцов в нормальных лабораторных условиях при воздействии сжимающих напряжений.
Испытания на ползучесть в раннем возрасте проводят по стандарту GBJ82-85. Для образцов размером 100x100x400 мм определяют характеристики ползучести бетона в возрасте 3 суток. Для этого прикладывают нагрузку, составляющую 40% от осевой прочности бетона при сжатии, и измеряют величину ползучести в возрасте I, 3, 7, 14, 28, 45, 60 и 90 суток. При испытании предполагают, что деформация ползучести и приложенная нагрузка связаны между собой линейным соотношением. Путем использования полученных показателей оценивают ползучесть различных составов бетона под действием стандартных нагрузок. Ползучесть, оцениваемая как деформация на единицу нагрузки, определяется по следующей формуле:

где Ф - фактическая ползучесть (I/МПа);
еct - значение ползучести при нагрузке в возрасте t сут.;
o - напряжения от нагрузки в определенном возрасте (МПа).