журнал Строительная Орбита

ОБЩЕРОССИЙСКИЙ ОТРАСЛЕВОЙ ЖУРНАЛ

информационный партнер строительного комплекса России, Минрегиона России, Федерального агентства по строительству и ЖКХ Российской Федерации, Московского Государственного строительного университета

листая страницы журнала 2003-2008

Ползучесть бетона. Измерение, прогноз, нормирование

Ползучестью называется способность материала деформироваться во времени под действием постоянной нагрузки. Строительные материалы и изделия на основе извести и цемента в той или иной степени обладают этим свойством.

Накоплен огромный экспериментальный материал, посвященный ползучести бетонов. Имеются большое количество теоретических работ по данной проблеме. Обобщенные результаты экспериментальных и теоретических исследований в виде практических рекомендаций по расчету строительных конструкций на длительное действие нагрузки содержатся в строительных нормах и правилах и государственных стандартах.

Показатели ползучести используются для определения длительных деформаций и длительных прогибов бетонных и железобетонных конструкций, конструкций гидротехнических сооружений, мостовых конструкций, каменных и армокаменных конструкций.
При расчете армированных и неармированных конструкций из плотного силикатного бетона /1/ на длительное действие нагрузки используется предельное значение характеристики ползучести, зависящее от влажности окружающей среды и класса бетона по прочности на сжатие.
В своде правил /2/ при расчете жесткости железобетонного элемента на участке без трещин в растянутой зоне при продолжи-тельном действии нагрузки используется коэффициент ползучести, зависящий от класса бетона и относительной влажности окружающей среды.
Строительные нормы и правила /3/ при расчете элементов бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений рекомендуют использовать характеристики ползучести, которые поставлены в зависимость от возраста бетона в момент загружения и длительности наблюдения. Возраст бетона варьируется от 0.125 суток до 1500 суток. Из табл. 4 /3/ следует, что деформации ползучести достигают предельного значения к 1000 суткам.
В строительных нормах и правилах /4/ при расчете мостовых конструкций применяется «предельная характеристика ползучести бетона».
В нормативных документах / 1, 2, 4 / время достижения предельного значения характеристик ползучести не указано, тогда как в / 3 / момент достижения предельного значения характеристик ползучести обозначен в явном виде и составил 1000 суток.
Общим для четырех нормативных документов /1 - 4/ является присутствие в расчетах в том или ином виде предельных значений характеристик ползучести.
В материалах ГОСТ 24544 - 81 «Бетоны. Методы определения деформаций ползучести и усадки» / 5 /, где рассмотрены методы экспериментального определения деформаций ползучести бетона, используется термин «условно предельное» значение деформаций ползучести бетона и дана методика определения этого показателя. В этом стандарте время достижения предельного значения составляет два года.
Подчеркнем, что понятие «предельное значение деформаций ползучести бетона» в том или ином виде присутствует во всех вышеперечисленных нормативных документах, связанных с расчетом, проектированием и испытанием строительных конструкций.
В материалах Еврокода 2 /6/ по сравнению с нормативными документами /1 - 4/ наиболее полно учтены многочисленные факторы, влияющие на ползучесть бетона. В соответствии с /6/, за 20-25 лет службы реализуется 90 % ползучести бетона.
Несмотря на то, что учеными и специалистами проведено и описано большое количество экспериментов, единой точки зрения по поводу развития ползучести бетона во времени еще не выработано. Экспериментальные данные не подтверждают наличия предельных значений как у деформаций ползучести бетона / 8 /, так и у длительного прогиба железобетонных изгибаемых конструкций.
Сопоставление результатов экспериментов/ 8 / и данных свода правил / 2 /, графически представленное на рис. 1, показывает, что в нормативных документах ползучесть бетона недооценивается. Это означает, что прогиб конструкций от постоянной длительной нагрузки уже через 10 лет эксплуатации может превысить допустимое значение /7/. Другими словами, срок службы изгибаемых железобетонных конструкций, в том числе с предварительным напряжением арматуры, может оказаться значительно ниже ожидаемых значений.
Чтобы исключить подобное развитие событий, особенно в случае ответственных большепролетных конструкций, требуется создать базу данных, уточняющую сведения о ползучести бетонов разных видов и классов, находящихся в различных температурно-влажностных условиях.

Экспериментальные исследования ползучести бетонов являются одними из самых сложных, поскольку их продолжительность измеряется десятилетиями. Разработанная во «ВНИИСТРОМ им. П.П. Будникова» методика прогнозирования деформаций ползучести бетона с учетом короткого ряда наблюдений /9 - 14/ позволяет сократить продолжительность наблюдений за длительными деформациями нагруженных элементов до нескольких часов. В основе методики лежит экспериментально подтвержденное свойство аффинной эквивалентности длинных и коротких рядов наблюдений одной и той же кривой ползучести бетона. В современных курсах аналитической геометрии и линейной алгебры / 15 / преобразование, с помощью которого две или несколько кривых совмещаются в одну кривую того же порядка, называется аффинным, а исходные кривые, а именно длинный и короткий ряды наблюдений одной и той же кривой ползучести бетона, называются аффинно-эквивалентными кривыми. Совмещение длинного и короткого рядов наблюдений показано на рис. 2. Продолжительность длинного и короткого рядов наблюдений в данном случае отличается на один порядок. Кривые, показанные на рис. 2, носят название кривых приведенных деформаций ползучести. Анализ кривых приведенных деформаций ползучести бетона позволяет сделать следующие выводы.

1. Кривые деформаций ползучести бетона одного состава и одной технологии приготовления в условиях гигротермического равновесия с окружающей средой при постоянной температуре и относительной влажности воздуха при различных напряжениях сжатия (не превышающих предела длительной прочности бетона) различного возраста в момент загружения аффинно эквивалентны или, другими словами, могут быть совмещены соответствующим преобразованием. Отметим, что кривые ползучести, построенные по методике Еврокод 2, свойством аффинной эквивалентности не обладают (рис. 3).
2. Длинный и короткий ряды наблюдений, относящиеся к одной и той же кривой длительного прогиба некоторых видов железобетонных конструкций (например, изгибаемые предварительно напряженные плиты перекрытий из плотного силикатного бетона), в условиях гигротермического равновесия с окружающей средой при постоянной температуре и относительной влажности воздуха аффинно эквивалентны, т.е. могут быть совмещены соответствующим преобразованием.
3. Кривые деформаций ползучести бетона, кривые длительных деформаций крайнего волокна сжатой зоны бетона, кривые длительного прогиба некоторых видов железобетонных конструкций (при условии, что бетон имеет один и тот же состав и одну технологию приготовления, а длительные испытания конструкций и бетонных образцов проводятся в одинаковых температурно - влажностных условиях) являются аффинно эквивалентными и могут быть совмещены соответствующим преобразованием (рис. 4).
4. Возможность совмещения длинных и коротких рядов наблюдений одной и той же кривой ползучести бетона позволяет строить кривую деформаций ползучести бетона на весь период эксплуатации конструкции на основе коротких рядов наблюдений продолжительностью всего несколько часов.
5. Возможность совмещения длинных и коротких рядов наблюдений одной и той же кривой длительного прогиба некоторых видов изгибаемых предварительно напряженных конструкций позволяет строить кривую длительного прогиба ЖБК на весь период эксплуатации конструкции на основе коротких рядов наблюдений.

Применение упомянутой выше методики дает возможность:
- в сравнительно короткие сроки создать альбом показателей ползучести бетона различных классов в различных условиях эксплуатации;
- разработать рекомендации по расчету бетонных и железобетонных конструкций при длительном действии нагрузки, уточняющие положения строительных норм и правил;
- уменьшить возможные неточности при определении сроков службы железобетонных конструкций.
Методика может быть использована для прогнозирования длительного прогиба изгибаемых железобетонных элементов. В свою очередь, прогноз длительного прогиба железобетонных конструкций с учетом короткого ряда наблюдений может быть применен для экспериментальной проверки результатов расчета.
1. СНиП 2.03.02 - 86 «Бетонные и железобетонные конструкции из плотного силикатного бетона»
2. СП 52-102-2004 «Предварительно напряженные железобетонные конструкции». М., 2005
3. СНиП 2.06.08 - 87 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений»
4. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы»
5. ГОСТ 24544 - 81 “Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести”
6. Еврокод 2, Часть 1 «Общие правила и правила проектирования зданий»
7. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»
8 . А. А. Гвоздев, А. В. Яшин, К. В. Петрова, И. К. Белобров, Е. А. Гузеев. Прочность, структурные изменения и деформации бетона. Под ред . А.А. Гвоздева . М., Стройиздат, 1978
9. А.С. Бычков. Быстрые методы испытаний строительных материалов и конструкций. “Строительные материалы” № 7 2001 год.
10. А.С. Бычков. Моделирование ползучести бетона. Материалы I Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона: “Бетон и железобетон в третьем тысячелетии”. Москва, 2001.
11. А.С. Бычков. Построение кривой длительного прогиба предварительно напряженной панели перекрытий с учетом короткого ряда наблюдений. Материалы третьей международной научно-практический конференции “Бетон и железобетон в третьем тысячелетии”. Ростов - на - Дону, 2004 .
12. А.С. Бычков. Ползучесть бетона: прогноз и нормирование. Материалы Восьмых академических чтений отделения строительных наук РААСН / Издательство Самарского государственного архитектурно-строительного университета. - Самара, 2004 .
13. Бычков А.С., Подлесных Г.В. Керамзитобетон на основе гипсового вяжущего повышенной водостойкости при длительном действии нагрузки. Материалы Международной научно-практической конференции. Красково, 2005.
14. Бычков А.С. Учет ползучести бетона в нормативных документах при расчете железобетонных конструкций на длительное действие нагрузки. МАДИ. 67 научно-методическая и научно-исследовательская конференция «Управление строительно-техническими свойствами бетонов для транспортного строительства» Москва, 2009
15. А.Л. Вернер, Б.Е. Кантор, С.А. Франгулов. Геометрия. Часть II.

Санкт-Петербург, «Специальная литература», 1997.