Из всех воздействий на состояние опор, наряду с рассмотренными температурными воздействиями, особое значение имеют также влажностные деформации, возникающие при увлажнении бетона и являющиеся деформациями набухания. В силу своей малой величины они не играют особой роли в напряженном состоянии бетонных конструкций и обычно не учитываются. Наибольшую роль играют влажностные деформации, наблюдаемые при высыхании бетона и определяемые как деформации усадки. Особенность этих деформаций состоит в том, что при увлажнении и последующем высыхании бетона распределение влажности по сечению конструкций происходит неравномерно. Неравномерным при этом оказывается и распределение деформаций усадки. В силу монолитности конструкций, связанности между собой волокон сечения такое распределение влажности и усадочных деформаций при высыхании бетона приводит к появлению напряженного состояния в сечении конструкций. При этом необходимо отметить, что в статически определимых конструкциях появление напряженного состояния может быть обусловлено только нелинейным распределением влажности по сечению. Для статически неопределимых конструкций, к числу которых относятся кольцевые сечения опор контактной сети, напряженное состояние возникает также и при линейном распределении влажности по сечению. Исследованиями установлено [15], что распределение влажности при высыхании бетона в целом описывается уравнениями, аналогичными уравнениям теплопроводности для остывающего тела, а напряженное состояние определяется уравнениями, аналогичными
|
|
60
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
уравнениям термоупругости. При этом в данных уравнениях является обязательным учет деформаций ползучести бетона, сопровождающих усадочные напряжения.
С помощью отмеченных уравнений был тщательно изучен влажностный режим опор контактной сети при высыхании бетона, теоретически определены величины возникающих при этом на поверхности опор растягивающих напряжений и произведена экспериментальная проверка значений напряжений на различных этапах высыхания бетона опор [16]. В результате этих исследований была установлена зависимость усадочных напряжений прежде всего от величины деформаций усадки бетона или, соответственно, от величины потерь физико-механически связанной воды, определяющей эти деформации. При этом следует отметить, что наибольшая величина деформаций усадки наблюдается в процессе твердения бетона и его высыхания в пропарочных камерах в период изготовления опор.
|
|
Отличительной особенностью этого периода является то, что из-за наличия на внешней поверхности опор металлической опалубки высыхание бетона происходит через внутреннюю поверхность опоры, поэтому именно на этой поверхности развиваются наибольшие усадочные напряжения. По величине эти напряжения превосходят прочность цементного камня, образующегося на внутренней поверхности при центрифугировании опор, и вследствие этого на отмеченной поверхности образуются поверхностные технологические усадочные трещины.
Оценить величину усадочных деформаций бетона при изготовлении опор в целом не представляется возможным, однако полностью измеряемыми являются усадочные деформации бетона опор, возникающие после повторного влагонасыщения бетона в воде до достижения им постоянного веса. Хотя эти деформации и меньше общих первичных деформаций, наблюдаемых при твердении и высыхании бетона в процессе изготовления опор, тем не менее именно они в определенной степени дают представление об ожидаемых усадочных деформациях и, соответственно, об усадочных напряжениях в эксплуатируемых опорах контактной сети. Для оценки трещиностойкости опор и деструктивных процессов в бетоне важное значение имеет та часть усадочных деформаций, которая развивается в тангенциальном направлении сечения опор. Величина этих деформаций, характер их развития в процессе высыхания бетона наиболее точно определяются с помощью физических моделей. В качестве последних могут использоваться бетонные кольцевые образцы, имеющие радиальный разрез, превращающий замкнутое кольцевое сечение в статически определимый криволинейный брус (рис. 3.7).
В качестве примера приводится поведение отмеченного образца из бетона, состав которого, условия его уплотнения и термообработки со-
61
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
ответствуют составу бетона, условиям уплотнения и термообработки центрифугированных опор марки СКУ 8/136. По толщине стенки и диаметру кольцевые образцы также принимались идентичными фрагменту указанных опор в средней их части. За характеристику усадочных деформаций в разрезанных кольцевых образцах принимался угол взаимного поворота торцевых поверхностей разреза, показанный на рис. 3.7. Другие перемещения в разрезе, как показали исследования, имеют небольшую величину и оказывают несущественное влияние на формирование напряженного состояния в замкнутом кольцевом сечении. Анализ развития усадочных деформаций в кольцевых образцах после их полного влагонасыщения и высыхания в наиболее тяжелом режиме, когда влагопотери происходят только с наружной боковой поверхности, показал, что наибольшей величины усадочные деформации, характеризуемые отмеченным углом взаимного поворота поверхностей, достигают через 35 — 40 сут после начала высыхания. По истечении этого времени усадочные деформации и, соответственно, угол взаимного поворота поверхностей разреза постепенно уменьшаются (рис. 3.8). Относительная деформация усадки на наружной поверхности образцов в момент наибольшего раскрытия зазора при расходе цемента на изготовление бетона образцов в пределах 480 — 500 кг/м3, принимаемом при изготовлении опор, составляет 81,5*10-5. Этой деформации соответствует расчетное значение растягивающих напряжений на поверхности замкнутых образцов, равное 1,95 МПа. Экспериментальное значение этих напряжений, полученное при испытаниях кольцевых
образцов такого же состава бетона с «замком» в стенке, находилось в пределах 1,8 — 2 МПа, т.е. оказалось близким к расчетному значению напряжений.
Последующие повторные влагонасыщения бетона образцов и высыхания приводили к постепенно-му уменьшению деформаций усадки на боковой поверхности образцов и, соответственно, к умень-шению раскрытия радиального зазора в образцах. После примерно 8 - 10 циклов увлажнения - высушивания необратимая часть усадочных дефор-маций практи-
|
|
62
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
чески полностью оказывалась отжатой, и в образцах при дальнейшем увеличении числа циклов наблюдались только обратимые деформации. Наибольшая относительная величина этих деформаций на наружной поверхности при этом составляла величину порядка (38/41)*10-5. В силу снижения величины деформаций соответствующим образом уменьшились и усадочные напряжения. При отмеченных значениях относительных деформаций расчетные значения усадочных напряжений понизились до величины 0,9 МПа, а экспериментальная величина их при этом оказалась в пределах 0,6 - 0,85 МПа.
При этом необходимо учесть, что приведенные значения усадочных деформаций и усадочных напряжений получены в общем при искусственном создании влажностного состояния бетона испытуемых образцов путем их влагонасыщения до постоянного веса в водной среде. В эксплуатации такого насыщения бетона в надземной части опор не наблюдается, и поэтому необходимо учитывать, что фактические значения усадочных деформаций и напряжений будут значительно меньше отмеченных величин, что связано с условиями увлажнения и высыхания бетона опор. Эксплуатационная влажность бетона, как правило, оказывается значительно меньше возможного полного влагонасыщения бетона. В частности, если полное влагонасыщение бетона опор находится в пределах 7 - 8 % (весовых), то фактическая влажность бетона эксплуатируемых опор не превышает 3 - 4%, и это связано с условиями и источниками увлажнения бетона. После изготовления бетон опор находится в воздушно-сухом состоянии. Дальнейшее его увлажнение или изменение его влажностного состояния может происходить под действием нескольких источников воды. Такова, прежде всего, атмосферная влага. Последняя выпадает в виде косых дождей и увлажняет наружную поверхность опор, проникая затем внутрь бетона стенки. Опыт показывает, что даже при интенсивном длительном дождевании поверхности опор влага при плотном бетоне проникает внутрь его на небольшую глубину. В частности, установлено, что при почти месячном воздействии дождевой влаги на поверхность опор глубина ее проникновения не превышала 4мм. В силу этого усадочные напряжения при последующем высыхании испытывает только тонкий поверхностный слой опор, и в этом слое постепенно могут ослабляться только структурные связи. Открытых микро- и макротрещин эти напряжения не вызовут, тем более что они действуют весьма непродолжительное время.
|
|
Вторым источником увлажнения бетона является конденсирующаяся влага внутри опор. Наличие этого источника увлажнения характерно прежде всего для центрифугированных опор, имеющих внутреннюю невентилируемую полость. При резких колебаниях температуры воздуха, особенно в осенне-зимний период, эта влага выпадает на внутреннюю поверхность опор и интенсивно насыщает внутренние слои бето-
63
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
на вследствие их высокой пористости и низкой плотности. Далее влага из внутренних слоев распространяется к наружной поверхности, но вследствие высокой плотности наружных слоев бетона это распределение происходит преимущественно путем диффузии. И это является причиной незначительного увеличения влажности наружных слоев бетона и, как следствие, небольших по величине усадочных деформаций при высыхании этих слоев.
Таким образом, после изготовления бетон приобретает воздушно-сухое состояние, и в последующей эксплуатации в наружных слоях надземной части опор, за исключением тонкого поверхностного слоя, он изменяет свою влажность в небольших пределах. Следовательно, ожидать значительных усадочных напряжений в наружных слоях бетона при их высыхании вряд ли возможно. Во всяком случае, при наблюдаемых изменениях влажности отмеченных наружных слоев бетона величина усадочных деформаций будет существенно меньше деформаций, возникающих при полном влагонасышении бетона, а сопровождающие эти деформации усадочные напряжения вряд ли превысят несколько килограммов на квадратный сантиметр. Что касается внутренних слоев бетона, то их влажность может быть близкой к предельному влагонасы-щению. Однако вследствие высокой относительной влажности воздуха внутри полости, близкой к 100%, испарения и потери влаги из этих слоев не происходит, и по этой причине в них не наблюдаются усадочные деформации, соответственно, отсутствуют усадочные напряжения.