В ряде случаев огнестойкость конструкций из железобетона определяется способностью бетона выдерживать растягивающие напряжения в условиях воздействия высоких температур, возникающих при пожаре. Прочность бетона на растяжение определяет трещиностойкость конструкций и несущую способность при расчете на поперечную силу. Последовательность приложения нагрузки и нагрева влияет на деформативность бетона. При нагреве загруженного бетона его деформативность выше, чем при загружении предварительно нагретого бетона. При пожаре загруженная статической нагрузкой конструкция нагревается до высоких температур.
Учитывая отсутствие данных о прочности и деформативности обычного бетона при растяжении при его нагреве в нагруженном состоянии во ВНИПИТеплопроекте были проведены исследования этих свойств. Подобные исследования были выполнены также для жаростойких бетонов на портландцементе, жидком стекле и глинозёмистом цементе с шамотным заполнителем.
Испытание образцов типа «восьмерок» высотой 1000 мм с рабочим сечением 70х100 мм проводили на рычажной установке. Образцы крепили захватами, состоящими из объединенных замкнутым тросом дисков. Усилие на образец передавалось через шаровые шарниры в заранее зафиксированных точках. Образцы нагревали в электропечи со скоростью подъёма температуры 200°С/ч.
Температуру образцов измеряли хромель-алюмелевой термопарой, расположенной в центре базы замера, деформации – индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм, установленными на кварцевых тягах. База замера составляла 200 мм.
Образцы изготовляли из бетона на портландцемента М400 с гранитным заполнителем максимальной крупности 20 мм с расходом материалов (в кг на 1 м3 бетона): цемент – 480, мелкий заполнитель (песок) – 750, крупный заполнитель (гранитный щебень) – 994. Количество воды принимали из условия получения ОК не более 2 см. Прочность бетона при сжатии к началу испытания составляла 40 МПа, влажность 3%.
Часть образцов-восьмерок испытывали до разрушения после предварительного нагрева до заданной температуры. Часть – предварительно загружали до нагрева.
Бетон, предварительно нагретый до заданной температуры и выдержанный при этой температуре в течение 4 ч, запружали ступенями с выдержкой в течение 15 мин на каждой из них. Модуль упругости определяли при напряжении равном 0,3 Rpt, и при его разгрузке до условного нуля. Для дальнейших расчетов принимали модуль упругости полученный при разгрузке. Так как обрыв образца происходил после приложения очередной ступени нагрузки. Удалось замерить предельные деформации растяжения бетона.
Результаты испытаний показали. Что прочность и модуль упругости бетона непрерывно понижаются с повышением температуры, а предельные деформации растяжения увеличиваются (рис. 2). Характерного повышения прочности бетона, наблюдаемого у жаростойкого бетона на шамотных заполнителях при нагреве до 200°С не обнаружено. Это, по-видимому, объясняется существенным различием коэффициентов температурного расширения цементного камня и заполнителя из гранитного щебня.
Пластические деформации определяли вычитанием упругих деформаций из полных, соответствующих отсчетам, взятым через 15 мин после приложения очередной ступени нагрузки. Полные относительные деформации бетона при нагреве увеличиваются, коэффициент упругости уменьшается и при нагреве до 800°С близок к нулю. Зависимость коэффициента упругости от напряжения может быть принята линейной.
Бетон при нагреве под нагрузкой испытывали следующим образом. Предварительно для каждого образца определяли модуль упругости при нормальной температуре. Затем образец загружали растягивающим напряжением (19,6; 11,8 и 3,9 МПа). Одновременно с загруженным образцом нагревали незагруженный образец. Характер изменения деформаций показан на рис. 3, а. разность деформаций загруженного и незагруженного образцов определялась деформацией, развивающейся в процессе подъема температуры от нагрузки.
Для всех образцов время прохождения ультразвуковых колебаний измеряли вдоль оси счетчиком УКВ-11 с двумя пьезодатчиками по 150 кГц, закрепляемыми на торцах образца. Время прохождения ультразвуковых колебаний сильно увеличивается с возрастанием температуры бетона (см. рис. 3, б). Однако разница во времени для загруженных и незагруженных образцов не обнаружена. Что свидетельствует о преобладающая характере хаотических микронарушений структуры бетона, вызванных разницей коэффициентов температурного расширения цементного камня и гранитного заполнителя. При температуре выше 57З°С на этот процесс накладывается нарушение структуры, вызванное модификационными изменениями кварца.
Предельные деформации загруженного до нагрева бетона значительно превосходят предельные деформации, определенные при кратковременном загружении предварительно нагретых призм, так как происходящая при нагреве миграция воды в бетоне облегчает развитие деформаций под действием растягивающего напряжения. Во втором случае происходит загружение бетона, вода из которого уже удалена в результате предварительного температурного воздействия. Модуль упругости образцов, нагреваемых под нагрузкой, почти не отличается от модуля упругости предварительно нагретого бетона.
Прочность бетона в зависимости от температуры нагрева в большей степени снижается в предварительно загруженных образцах.
Выводы
- При нагреве бетона, загруженного растягивающим напряжением, развиваются значительно большие пластические деформации, чем при нагружении предварительно нагретого бетона.
- Полученные изменения прочности и деформаций обычного бетона при нагреве под нагрузкой следует учитывать при определении огнестойкости преднапряженных конструкций и конструкций, несущая способность которых определяется работой на поперечную силу.