Невидимый конфликт

После такого «коктейля» из физических, механических, технологических и экономических показателей бетона не может не возникнуть вопрос: что же такое в конце концов бетон?

Если ответ должен быть кратким и ясным, он будет звучать так: самое грубое и неоднородное тело, созданное человеком.

Разные по величине зерна песка и гравия, связанные в произвольную структуру цементным камнем, совершенно хаотично расположенные крупные и мелкие частицы, поры и пустоты, заполненные водой и воздухом, микротрещины и капилляры — вот что такое бетон.

Истинный апокалипсис случайности и хаоса, необычайно далекий от идеально упругого, изотропного и однородного тела — любимца строительной механики. Если вообще понятие однородности применимо к бетону, то его сущность можно определить так: бетон исключительно однороден в своей неоднородности. С течением времени и под действием нагрузок он изменяет свои механические свойства, ползет, дает усадку, разбухает, нормально работает, несмотря на наличие трещин…

Рис. 13. Закон Гука "в немилости" перед его раскрытыми от ужаса глазами рабочая диаграмма самого грубого и неоднородного тела, созданного человеком, причем при кратковременной нагрузке

Неоднородная структура бетона, изменение его свойств с течением времени и значительные пластические деформации создают огромные трудности для исследователей. Давайте посмотрим диаграмму его работы на сжатие (рис. 13). Нет и следа пропорциональности между напряжениями и деформациями: рабочая кривая сильно изогнута. При таком положении разговор о модуле упругости бетона будет беспредметным. Гораздо правильнее было бы назвать его деформационным модулем. Он явно представляет собой переменную величину: значение его различно при разной степени напряжения. Это отчетливо видно и на диаграмме σ—ε. Каждая точка кривой имеет свою, индивидуальную касательную. Вывод будет ясен, если мы вспомним, что угол, который касательная образует с горизонтальной осью, и есть геометрическое выражение деформационного модуля в соответствующей точке.

При снятии нагрузки определенная часть деформаций исчезает, но только определенная часть. Это — упругая деформация. Так же, как у сталей, но только в значительно более явной форме сохраняются необратимые деформации, вызванные изменениями в структуре материала. Малая часть из них — тоже, как у стали, — через некоторое время восстанавливается (упругое последействие), но в основном это окончательные, необратимые пластические деформации.

Теперь посмотрим, что происходит при многократно повторяющихся нагрузках. В таком режиме работают балки под электрические мостовые краны, конструкции некоторых мостов и эстакад, фундаменты под машины и турбоагрегаты. Многократные «приливы» и «отливы» силовых воздействий, несомненно, отражаются на поведении такого неоднородного упруго пластичного материала, как бетон.

Если нагрузка возрастает до уровня относительно малых напряжений и сразу после этого снимается, то в конце каждого цикла остается определенное количество необратимых пластических деформаций. После многих таких циклов пластические деформации наслаиваются одна на другую, постепенно достигая общей величины, при которой пластический потенциал материала исчерпывается. Когда исчезают все люфты материала, он начинает работать как однородное упругое тело и его рабочая диаграмма выглядит как прямая линия.

Однако если нагрузки возрастают до уровня относительно больших напряжений, после определенного числа повторных нагрузок материал разрушается. В этом случае пластические деформации, постепенно нарастая до большой величины, достигают предела, за которым может следовать только разрушение. Максимальное напряжение, при котором материал работает по первоначальной схеме без разрушения, называется пределом выносливости, или пределом усталости. Определение усталостной прочности имеет большое значение для конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам: их проектирование осуществляется на основании именно этой характеристики. Однако необходимо, чтобы число рабочих циклов достигало почти двух миллионов.

До сих пор речь шла о кратковременных — однократных или многократных— нагрузках, при которых пластические деформации достаточно отчетливо выражены. Что же произойдет, если на каком-либо этапе нагрузка будет более длительной? Именно таким образом действуют постоянные и многие временные нагрузки.

Рис.14. При длительной нагрузке картина еще более ужасная: бетон имеет четко выраженную склонность к "ползучести"