Влияние холода (отрицательных температур) на характеристики железобетонных конструкций (прочность, деформативность, долговечность)

Содержание

1. Введение

2. Характеристики

3. Воздействие температуры на железобетон

4. Влияние холода на прочность железобетона

5. Влияние холода на деформативность железобетона

6. Влияние холода на долговечность железобетона

7. Заключение

8. Список литературы

Введение

Железобетонные конструкции являются одним из основных, применяемые для возведения зданий и сооружений (около 2/3 строящихся зданий и сооружений выполняются из бетона и железобетона). Достоинства и недостатки железобетона. Достоинства конструкций нужно назвать: высокую прочность, долговечность, огнестойкость, стойкость против атмосферных воздействий, возможность использования местных строительных материалов, простоту формообразования, небольшие эксплуатационные расходы. Недостатками являются: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, возможность появления трещин вследствие усадки и силовых воздействий, трудности утилизации. Сущность железобетона. Железобетоном называется комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стали. Идея образования железобетона из двух различных по своим механическим характеристикам материалов заключается в том, что бетон используется для работы на сжатие, а сталь на растяжение. В совокупности же появляется материал, способный воспринимать сжимающие и растягивающие усилия.

Характеристики

Основными характерными показателями для этого строительного материала служат:

Долговечность и прочность, обеспечивающие целостность здания, которая достигается благодаря физическим и механическим качествам взаимодействующих в железобетоне материалов.

Способность выдерживать различные нагрузки, ведь бетон не дает конструкции сжиматься под влиянием нагрузки, а арматура защищает от растягивания.

Огнеупорность и способность выдерживать низкие температуры.

1.Технологичность и легкость монтажа.

2.Устойчивость к влиянию атмосферных явлений.

3.Сочетание цены и качества.

Такие качественные характеристики позволяют железобетону быть лидером стройматериалов и использоваться в проектах по возведению плотин, аэродромов, электростанций. Особого внимания заслуживает возможность использования железобетона в зонах с повышенной сейсмичностью, где этот материал просто незаменим. Свойства железобетона говорят о его бесспорных преимуществах перед другими строительными материалами, позволяя использовать его на строительной площадке в любое время года, не опасаясь за целостность возводимой конструкции. Бесспорно, плюсов у железобетона много и его востребованность говорит сама за себя. Однако, как любой стройматериал, железобетон имеет и обратную сторону своих неоспоримых преимуществ. Так, из недостатков в его использовании можно выделить следующие:

Значительная масса. Хотя сейчас современные способы изготовления строительных материалов и позволяют заменить заполнители в используемых стальных конструкциях на более легкие, однако, проблему полностью это решить не может. Несмотря на невысокую стоимость самого железобетона, затраты на его поставку и монтаж весьма высоки, поскольку есть прямая необходимость использования специальной техники и квалифицированных специалистов. Какими бы прочными ни были конструкции из железобетона, все же и для них имеется определенный порог нагрузки, выходить за рамки которого не следует. Во время усадки конструкции железобетонные блоки могут дать трещину, а это потребует дополнительных затрат на усиление сооружения или что еще хуже, на его переделку. При строительстве зданий из железобетона уровень финансовых затрат возрастает из-за необходимости проводить тепло - и звукоизоляцию железобетона дополнительными материалами.

Основные характеристики:

1.Повышенная прочность и долговечность.

2.Способность стойко переносить перепады температуры, в том числе сильные морозы.

3.Устойчивость к воздействию влаги и огня.

Прочностные качества бетона напрямую зависят от качества цемента и от свойств, которыми обладают применяемый песок и гравий. Конечное качество бетона также зависит от пористости (отношения количества пор к общему объему) и плотности (отношения массы к объему). Устойчивость железобетонных конструкций к огню, объясняется невысокой теплопроводностью. Они могут переносить, без видимых разрушений, до одной тысячи градусов тепла без последствий очень долгое время. Именно поэтому бетонная продукция используется при строительстве промышленных предприятий, работающих при повышенных температурах.

Взаимодействие температуры на железобетон

Влияние температур на железобетонные конструкции хорошо изучено и подтверждено опытом в несколько десятилетий, однако, технологии развиваются, появляются новые типы железобетона, которые нуждаются в новых опытах по части воздействия температурных факторов. За начало отсчета, в данном случае, принимают температуры замеров, при которых в степах не возникают температурные напряжения и деформации. Эти замеры принимаются за условную вертикаль, от которой производилось определение горизонтальных смещений точек углов здания. Точное определение температур нулевых напряжений часто оказывается затруднительным в связи с длительностью возведения здания, различными температурными условиями, трудностью учета ползучести материалов и релаксации напряжений. Поэтому величина нулевого напряжения для зданий, построенных при положительных температурах (летом), определяляются как средняя из среднесуточных температур за период возведения стен и перекрытий. Очень важно верно рассчитать температурные режимы для железобетонных перемычек и перекрытий, поскольку показатели, в данном случае, будут отличаться от обычных внешних конструкций. Обращайте внимание на исходные характеристики приобретаемого материала и его соответствие ГОСТам — там всегда содержатся сведения о температурных режимах эксплуатации. При этом, важно приобретать стройматериалы у проверенных поставщиков, например в «РосМастерСтрой» и других оптовых компаниях, которые работают непосредственно с производителем или сами являются таковым. Для зданий, возведенных зимой при отрицательных температурах, за нулевой показатель условно нужно принимать температуры в интервале от 4 до 15 градусов. Отрицательные температуры не могут приниматься за начало отсчета в связи с тем, что в период оттаивания температурные напряжения в стенах снимаются ползучестью раствора и бетона. Такой условный прием назначения температуры начала отсчета может быть оправдан тем, что вероятные ошибки в определении t0a не влияют на точность результатов анализа. Если есть возможность, нужно измерить отклонения левого и правого углов здания из виброкирпичных панелей от вертикали при изменениях среднесуточных наружных температур в широком диапазоне (от +23 до-17°). Из графиков, которые получатся в результате, будет видно, что деформации торцов здания закономерно следует изменению наружной температуры: при понижении температуры торцы смещаются внутрь, при повышении ( + 22 и +23°) — наружу от условной вертикали, которой соответствует температура нулевых напряжений.

Влияние холода на прочность железобетона

Влияние охлаждения на свойства бетона и работу железобетонной конструкции можно разделить на две основные расчетные стадии—первое замораживание до минимальной температуры и длительное попеременное замораживание и оттаивание. Статически определимые конструкции рассчитывают только для второй стадии. Уменьшение прочности и жесткости элементов определяется при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания и оттаивания. В статически неопределимых конструкциях при первом замораживании возникают наибольшие усилия от воздействия низких температур. Усилия в элементах и их жесткости Определяются от совместного действия охлаждения, нагрузки и собственной массы с учетом повышения прочностных и упругопластических свойств бетона и арматуры в условиях низкой температуры. При попеременном замораживании и оттаивании происходит снижение прочности и жесткости элементов и уменьшение усилий от охлаждения. Усилия в элементах и их жесткости находят только при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания я оттаивания.

Низкотемпературные воздействия на железобетонные конструкции подразделяются на климатические и технологические.

? Климатическим воздействиям подвергаются здания и сооружения в суровых климатических районах. При этом расчетная зимняя температура наружного воздуха принимается как средняя температура наиболее холодной пятидневки в зависимости от района строительства.

? В условиях низких технологических температур (-9О...196°С) работают резервуары для хранения сжиженных газов и т. п.

Проведенные исследования показали, что при первоначальном замораживании прочность бетона повышается. При повторных замораживаниях и оттаиваниях его прочность снижается. Это объясняется тем, что находящаяся в порах бетона влага превращается в лед, который, расширяясь, вызывает деструктивные процессы в бетоне. Особенно резкое снижение прочности наблюдается для бетонов, находящихся в насыщенном водой состоянии при попеременном замораживании и оттаивании. Это явление учитывается в нормах (1) понижающим коэффициентом ?b6, вводимым к расчетному сопротивлению бетона. При температурах -20...-4 °С для водонасыщенных бетонов при попеременном замораживании и оттаивании ?b6 = 0,85, а при t<-40°С ?b6 = 0,7. Для уменьшения отрицательного влияния низких температур необходимо принимать все меры для снижения количества влаги в бетоне: применять бетоны плотной структуры, использовать суперпластификаторы и т. п. Арматура железобетонных конструкций в условиях низких температур становится хладноломкой и ее деформативность резко снижается, вследствие чего может произойти обрыв стержней и хрупкое разрушение железобетонных конструкций. Степень хладноломкости зависит от класса и марки стали, наличия сварных соединений, а также повреждений и характера нагрузки. Стали класса A-I марки ВСт3сп2, класса А-II марки 10ГТ, обыкновенная и высокопрочная проволока и канаты К-7 применяются при низких температурах без ограничений. Арматура класса A-III марки 35ГС чувствительна к повреждениям и допускается к применению в неотапливаемых зданиях только в вязаных каркасах при статических нагрузках и при t>-55°С. Еще более подвержена хладноломкости сталь класса A-IV марки 80С, в связи с чем ее применение ограничено температурой t = -30°С. Области применения арматуры для условий низких температур даны в .

Для железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур, устанавливают класс бетона по прочности и марку по морозостойкости, а при необходимости и по водонепроницаемости.

Расстояние между температурными швами при расчетных температурах наружного воздуха t<-40°С уменьшается по сравнению с обычными условиями. В этом случае обязателен температурный расчет несущих конструкций.

Влияние холода на деформативность железобетона

В условиях низких температур рекомендуют применять бетоны плотной структуры и повышенной морозостойкости.

Причинами деструкции бетона при низких температурах являются:

1) различие коэффициентов деформаций между составными частями бетона, а также замерзание воды в замкнутых пространствах, когда она заполняет не менее 92% объема пор;

2) гидравлическое давление от перемещения фронта холода от поверхности вглубь конструкции, предельная величина которого зависит от прочности бетона на растяжение и скорости замерзания бетона;

3) образование ледяных линз в порах бетона при стабильном фронте холода вследствие капиллярного поднятия и конденсации паров воды у холодной поверхности льда.

Отрицательные температуры будут оказывать вредное влияние на деформативные свойства арматурных сталей. Хотя предел текучести (предел текучести – это напряжение, при котором уже начинает развиваться пластическая деформация) и временное сопротивление сталей при замораживании несколько повышаются, причем им характерна склонность к хладноломкости (хладноломкость - это потеря материалами пластичности при понижении температуры) при ударе. Наибольшую склонность к хрупкому разрушению имеют кипящие и термически упрочненные стали.

Виды деформаций бетона.

Для любых материалов, помимо данных о прочности, необходимо иметь характеристики деформативности, с помощью которых можно определять смещения. Исследование деформаций батона в условиях совместной работы с арматурой (т.е. при наличии сцепления между ними) позволяет решить вопрос о распределении усилий между бетоном и сталью. Помимо этого, изучение деформаций позволяет задаваться распределением напряжений в бетоне при расчетах конструкций, определять момент появления трещин, их развитие, учитывать возможное перераспределение усилий. Деформации бетона имеют существенное значение также в предварительно напряженных конструкциях, в которых конечное значение напряжений обжатия бетона устанавливают с учетом неупругих деформаций. Деформации бетона делят на две категории. К первой относят несиловые деформации, связанные с изменением температуры и влажности окружающей среды, ко второй — силовые деформации, возникающие под действием приложенных нагрузок. В зависимости от характера приложения и продолжительности действия нагрузок силовые деформации разделяют в свою очередь на деформации, возникающие при однократном нагружении кратковременной статической нагрузки, при действии нагрузки продолжительном и многократно повторном. Такое деление достаточно условно, однако оно увязывается с основными используемыми в расчетах воздействиями и, кроме того, удобно методологически. Температурные деформации бетона. Бетон подчиняется общему закону расширения и сжатия тел при изменении температуры. Коэффициент линейного расширения бетона составляет в среднем 0,00001 (колеблется от 0,000008 до 0,000011). Это значит, что на каждые 10 м длины бетон либо расширяется (удлиняется) на 1 мм при повышении температуры на 10°, либо сжимается (укорачивается) на 1 мм при снижении температуры на 10°. При больших размерах бетонных и железобетонных сооружений деформации от температуры становятся настолько значительными, что могут повлиять на прочность сооружения. Чтобы уменьшить это влияние, сооружение разрезают по длине на несколько участков температурными швами (например, в сооружении, забетонированном летом при температуре 20° С, при расстоянии между температурными швами около 40 ж может зимой при —20° С образоваться в шве зазор шириной до 15 мм). тоже предварительно смоченную. Наполнение формы бетонной смесью производится в три слоя по 10 см каждый. Каждый слой протыкается (без удара) 25 раз стержнем диаметром 15 мм. После наполневдя формы излишек бетонной смеси срезается вровень с краями, затем форму медленно снимают, поднимая ее вверх за кольцо и сохраняя при этом строго вертикальное положение формы. Отформованный бетонный конус после снятия формы дает осадку, которую лёгко измерить, положив линейку на поставленную рядом с бетоном форму конуса ( 83). Чем больше осадка конуса, тем больше степень подвижности бетонной массы. Бетонную смесь с небольшим количеством воды, не дающую осадки или имеющую осадку в пределах 1—2 см, принято называть жесткой; смесь с большим содержанием воды, дающую осадку свыше 2—3 см, — пластичной. Независимо от подвижности бетонная смесь должна быть удобообрабатываемой. Это, в частности, значит, что при заполнении формы и уплотнении смесь должна сохранять однородность, не расслаиваться. Удобообра- батываемая бетонная смесь должна легко штыковаться при укладке в конус; из-под конуса при набивке не должна вытекать вода; после снятия конуса бетонная смесь должна оседать, не разваливаясь и не осыпаясь. Проверкой удобообрабатываемости бетонной смеси может служить, например, проба «на лопату»; ударяя плашмя лопатой по бетонной смеси, смотрят, какой след оставляет лопата; если пустоты между щебенками не заполнились раствором, то это означает, что в бетоне недостаточно раствора и смесь неудобообрабатываема; при Хорошей смеси пустоты быстро заполняются раствором. Если при ударах лопата погружается в массу бетона, оставляя впадину, то это показывает, что имеется избыток раствора и что такой бетон может быть сильно пористым. Если к бетонной смеси добавить одновременно цемент и воду, то подвижность бетонной массы увеличится. Если при этом не изменится водоцементное отношение (т. е. отношение массы воды к массе цемента), то и прочность бетона не изменится. Таким образом можно добиться нужной подвижности бетонной смеси при заданной прочности бетона. Для легких бетонов требуется получение бетона заданной прочности и объемной массы при нужной подвижности бетонной смеси. Состав бетона задается: а) в виде соотношения по массе количества цемента, песка и щебня (гравия), причем количество цемента принимается за единицу; количество воды указывается отдельно в виде водоцементно- го отношения ВЩ (например, состав 1 :2,5 : 4,5 по массе; В/Ц=0,6); б) в виде количества материалов на 1 м3 бетона (например, 260 кг цемента, 170 л (кг) воды, 700 кг песка, 1280 кг щебня).

Влияние холода на долговечность железобетона

Около 60% территории России расположено в условиях действия низких температур. Суровые климатические условия приводят к значительной деградации бетонных и железобетонных конструкций. Морозная деградация железобетонных конструкций проявляется более интенсивно при совместном действии мороза и солей. Исследованиями состоянием бетона на нефтяных промыслах, плотин, свай, столбов выявлено интенсивное накопление дефектов в его структуре. Под действием отрицательных температур наблюдается четыре основных типа разрушения :

- возникновение трещин в бетоне по всем направлениям по поверхности изделия;

- отслаивание защитного слоя бетона;

- коррозия арматуры;

- поверхностные сколы кусков бетона изделия.

Считается, что основной причиной разрушения бетона является изменение фазового состава воды при понижении температуры. Причиной разрушения бетона морозом является образование в его порах льда, сопровождающееся увеличением его объема на 9%. Оно имеет два следствия. Образовавшийся при замерзании воды в капиллярных порах лед давит на стенки пор, вызывая их деформации и возможное образование микротрещин. Но еще более существенной является другая причина: вследствие расширения льда образуется избыток воды, который оттесняется по капиллярам от фронта замерзания. Капиллярные поры оказывают сопротивление перемещению воды, а возникающее при этом гидравлическое давление приводит к напряжениям, а при их достаточной величине и к трещинообразованию в стенках пор. Замерзание воды в капиллярных порах происходит при температурах -2...-12 °С, тем более низких, чем меньше их размер. Стандартное испытание бетона на морозостойкость предусматривает замораживание водонасыщенных образцов на воздухе при температуре -18 °С и оттаивание их в воде при +18 °С. Долговечность железобетонной конструкции или сооружения может быть обеспечена при: 1) правильном учете проектировщиком воздействия на нее агрессивной среды; 2) точном выполнении специальных требований проекта и технических условий при изготовлении конструкции или возведении сооружения; 3) правильной эксплуатации здания или сооружения и своевременном возобновлении защитных мероприятий ( покрытий, изоляций и пр.)

Долговечность железобетонных конструкций и сооружений в значительной мере зависит от предохранения бетона и стальной арматуры от коррозии. Возникновение и развитие коррозии бетона и арматуры зависит от агрессивности водной или газообразной среды, состава и плотности бетона.

Большое значение для долговечности железобетонных конструкций усилений в агрессивной среде имеет предварительная защита от коррозии применяемой арматуры.

Основным направлением повышения долговечности железобетонных конструкций должно являться максимальное использование потенциальных возможностей самого бетона, его способности предохранять стальную арматуру от коррозии. Реализоваться это должно применением бетонов повышенной водонепроницаемости ( плотности), коррозионной стойкости, морозостойкости и прочности. Другим способом повышения долговечности железобетонных конструкций является введение в состав бетона ингибиторов коррозии стальной арматуры, применение арматуры, стойкой против коррозионного растрескивания, горяче-оцинкованной арматуры для бетонов с пониженными защитными свойствами. Коррозия арматуры в бетоне снижает долговечность железобетонных конструкций в среде агрессивных кислых газов. Опасность этого процесса усугубляется тем, что практически трудно контролировать степень поражения арматуры эксплуатирующихся конструкций. Тем не менее в атмосферно-влажностной среде, даже в условиях сильного ее загрязнения, коррозионные процессы, протекающие в бетонных конструкциях, не вызывают их разрушения, однако долговечность железобетонных конструкций может сильно снизиться из-за возможной коррозии стальной арматуры.