В целом, характеризуя температурные напряжения, возникающие в опорах вследствие температурной несовместимости деформаций наружных и внутренних слоев бетона, следует отметить, что они являются наиболее жесткими и опасными напряжениями. Под их действием в опорах сразу после замерзания могут образовываться продольные трещины, а также они могут привести к образованию таких трещин через несколько циклов замораживания — остывания. Причем при действии этих напряжений в опорах может постепенно образовываться множество продольных трещин. Эти напряжения ответственны за появление в опорах так называемых сеток трещин, резко снижающих несущую способность. И наконец, именно напряжения, возникающие в опорах при отрицательных температурах, интенсивно расшатывают структуру бетона при циклических воздействиях и, соответственно, ведут к снижению прочности бетона.
Прочность бетона снижается также в результате действия микроструктурных напряжений. По своей природе микроструктурные напряжения относятся к категории напряжений, в возникновении которых основную роль также играет температурная несовместимость компонентов бетона. А это, в свою очередь, ведет к появлению температурных напряжений при изменении температуры как в положительном, так и в отрицательном диапазоне. Появление микроструктурных напряжений в бетоне обусловлено различием температурных деформаций: цементного камня и зерен песка; раствора и крупного заполнителя. Направление и значение этих напряжений зависят от большого количества факторов, и определить их с достаточной для практики точностью не представ-
|
|
76
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
ляется возможным. Поэтому при анализе микроструктурных напряжений обычно ограничиваются их качественной оценкой, используя упрощенные модели структуры бетона. Одна из таких моделей (рис. 3.16) состоит из зерна заполнителя (ядра) 1, имеющего сферическую форму и покрытого кольцевым слоем 2 цементного камня или раствора. В действительности зерна заполнителей не имеют формы сферы, а толщина слоя на их поверхности зависит от технологических характеристик бетона или раствора. Кроме того, в реальном бетоне структурные модели не
свободны, а связаны между собой в единый монолит. В структурной модели можно наблюдать распределение напряжений в заполнителе и растворе (или цементном камне) при различных изменениях размеров зерна и слоя, возникающих вследствие неодинаковых температурных деформаций заполнителя и раствора. Если иметь в виду, что коэффициенты линейного температурного расширения зерна и слоя различаются, то при изменении температуры в этом слое возникают тангенциальные и радиальные напряжения (см. рис. 3.16). Оба эти напряжения могут быть как растягивающими, так и сжимающими в зависимости от характера изменения температуры (охлаждение или нагрев) и от соотношения абсолютных значений коэффициентов линейного температурного расширения зерна и слоя.
|
|
Используя теорию упругости для расчета напряжений в приведенной модели, можно сделать следующие выводы: значения тангенциальных и радиальных напряжений пропорциональны в основном величине изменения температуры и разнице в коэффициентах линейного температурного расширения материалов зерна и слоя. Это означает, что при прочих равных условиях большое значение имеет коэффициент линейного температурного расширения заполнителя. В бетонах одинакового состава этот коэффициент у растворной части можно принять постоянным, а для применяемых пород, годных в качестве заполнителя, данный коэффициент изменяется в широком диапазоне. Поэтому целесообразно стремиться к применению заполнителей из материалов, коэффициент линейного температурного расширения которых по возможности близок к значению этого коэффициента для раствора.
77
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
При постоянной толщине слоя цементного раствора вокруг ядра тангенциальные напряжения возрастают при увеличении диаметра заполнителя, а радиальные напряжения уменьшаются. Если отношение диаметра заполнителя к толщине слоя раствора остается постоянным или диаметр структурной модели значительно больше диаметра зерна (ядра), то напряжение не зависит от изменения диаметра заполнителя. С увеличением модуля упругости зерна напряжения возрастают незначительно (при условии, что остальные характеристики постоянны). Наоборот, увеличение модуля упругости цементирующего слоя вызывает резкий рост тангенциальных напряжений, радиальные же напряжения в этом случае возрастают в меньшей степени, хотя и могут иметь большое значение, особенно для обеспечения прочности контактной зоны.
В качестве заполнителя в бетоне опор в основном используется гранитный щебень, имеющий коэффициент линейного температурного расширения = 0,79*10-51/град. Растворная часть имеет коэффициент расширения по данным [22] = 1,02-10-5 1/град. Разность между и составляет 0,23*10-51/град (рекомендуемая предельная разность коэффициентов линейного температурного расширения заполнителя и раствора 0,5*10-51/град). Расчеты с применением принятой структурной модели показывают, что при такой разности коэффициентов расширения гранита и раствора в последнем при охлаждении на 1 °С возникают тангенциальные растягивающие напряжения, равные 0,08 МПа (рис. 3.17), и сжимающие радиальные напряжения, равные 0,0096 МПа (в расчетах принимались: r 1 /r2 = 1,05; модули упругости раствора Е1 = 35 000 МПа, гранита Е2 = 60 000 МПа; коэффициенты Пуассона: для раствора 1, = 0,2, для гранита 2 = 0,2). Расчеты выполнены в соответствии с формулами, полученными на основании решения задачи Ламе [23]. Если принять, что опора, изготовленная из бетона марки М500 и гранитного щебня условной шаровой
формы, изменяет свою темпе-ратуру от +20 до - 20 °С, то в ней вокруг заполнителя должны воз-никнуть растягивающие танген-циальные напряжения, равные = +0,384 МПа. И наоборот, при повышении темпера
туры, например, от +20 до +60°С в растворной части появятся сжимающие танген-циальные напряжения, равные =-0,32МПа, и растягиваю-щие радиальные напряжения в контактной зоне, равные =0,384 МПа.
78
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
|
|
Таким образом, при наблюдаемом в эксплуатации опор диапазоне изменения темпера-тур в растворной части бетона вокруг заполнителя могут появиться значительные знако-переменные тангенциальные и радиальные напряжения. При этом необходимо отметить, что тангенциальные напряжения под влиянием сжимающих напряжений в бетоне от предварительно напряженной арма-туры по горизонтальным пло-щадкам полностью погашаю-тся. Вследствие этого непогашенными оказываются напря-жения, действующие в основном по вертикальным площадкам, и по этим площадкам постепенно образуются вертикальные микротрещины. Растягивающие радиальные напряжения в контактной зоне между растворной частью и заполнителем под действием сжимающих напряжений в бетоне погашаются по площадкам, перпендикулярным этим напряжениям, и остаются непогашенными по площадкам, ориентированным параллельно действующим сжимающим напряжениям. По этой причине трещины в контактной зоне образуются с двух сторон ядра крупного заполнителя и в основном ориентированы по этим сторонам также в направлении действия сжимающих напряжений (рис. 3.18). Появление этих трещин наблюдается в первую очередь в бетонах, для приготовления которых используется гравий с гладкой поверхностью. При шероховатой поверхности заполнителя и прочном его сцеплении с раствором образование вертикальных трещин в контактной зоне происходит значительно позже и при более жестких воздействиях.