Ползучесть бетона

Ползучесть бетона — это свойство бетона медленно и непрерывно деформироваться во времени под действием постоянной или длительно действующей нагрузки. В отличие от упругой деформации, которая возникает мгновенно при приложении нагрузки и исчезает после её снятия, ползучесть проявляется как нарастающая пластическая (необратимая) и упругая (частично обратимая) деформация, протекающая в течение месяцев и лет. Это явление является одним из ключевых факторов, учитываемых при проектировании железобетонных конструкций, особенно предварительно напряжённых, высотных зданий, мостов и плотин, так как оно может приводить к перераспределению напряжений, увеличению прогибов и потерям предварительного напряжения.

Физическая природа и механизмы

Ползучесть бетона обусловлена сложной микроструктурой материала, представляющего собой композит из заполнителей (щебня, гравия, песка), связанных цементным камнем. Основные механизмы, ответственные за развитие деформаций ползучести, включают:

• Вязко-упругое поведение геля цементного камня. Цементный камень, особенно его коллоидная составляющая (гель гидрата силиката кальция), обладает вязко-упругими свойствами. Под нагрузкой происходит переориентация молекул воды, связанных в геле, и медленное скольжение частиц геля друг относительно друга.
• Микротрещинообразование. В зонах концентрации напряжений (например, на границе между заполнителем и цементным камнем) могут возникать и развиваться микротрещины. Этот процесс вносит вклад в необратимую часть ползучести.
• Миграция воды. Под действием сжимающих напряжений вода, находящаяся в капиллярах и порах цементного камня, может перемещаться в зоны с меньшим напряжением или испаряться. Это приводит к уплотнению структуры и дополнительным деформациям.
• Ползучесть кристаллической фазы. Кристаллические новообразования (например, портландит) также могут деформироваться под нагрузкой, хотя их вклад обычно меньше, чем у гелевой фазы.

Важно различать два основных типа ползучести в зависимости от влажностных условий:

• Основная ползучесть — деформация, развивающаяся в бетоне, который находится в условиях, исключающих влагообмен с окружающей средой (например, в массивных конструкциях). Она обусловлена внутренними процессами в цементном камне.
• Ползучесть при высыхании — деформация, возникающая при одновременном действии нагрузки и высыхании бетона. Она, как правило, больше, чем сумма деформаций основной ползучести и усадки, что объясняется взаимным усилением этих процессов.

Факторы, влияющие на ползучесть

Величина и скорость ползучести бетона зависят от множества факторов, которые можно разделить на внутренние (состав и структура бетона) и внешние (условия нагружения и окружающей среды).

Внутренние факторы

• Состав и качество цемента. Чем выше содержание алита (C₃S) и алюминатов (C₃A), тем, как правило, выше ползучесть. Цементы с более тонким помолом также дают большую ползучесть. Использование пуццолановых добавок (золы-уноса, микрокремнезёма) может увеличивать ползучесть, особенно на ранних сроках.
• Водоцементное отношение (В/Ц). Это один из самых значимых факторов. С увеличением В/Ц растёт пористость цементного камня, что приводит к существенному возрастанию ползучести. Бетоны с низким В/Ц (менее 0,4) демонстрируют значительно меньшую ползучесть.
• Вид и количество заполнителя. Жёсткие, прочные заполнители (например, гранит, базальт) ограничивают деформации ползучести, в то время как пористые или слабые заполнители (известняк, керамзит) могут увеличивать её. Чем больше объёмное содержание заполнителя, тем меньше ползучесть бетона, так как заполнитель сам по себе практически не подвержен ползучести.
• Возраст бетона на момент нагружения. Чем моложе бетон, тем выше его ползучесть. Это связано с тем, что в молодом бетоне ещё не завершились процессы гидратации, и его структура менее сформирована и более податлива. Нагружение бетона в возрасте 7–28 дней даёт наибольшую ползучесть.
• Армирование. Наличие арматуры, особенно предварительно напряжённой, существенно снижает деформации ползучести, так как арматура воспринимает часть нагрузки, передаваемой бетоном.

Внешние факторы

• Уровень напряжений. При напряжениях, не превышающих примерно 0,4–0,5 от призменной прочности бетона (R_b), ползучесть считается линейной (пропорциональной напряжению). При более высоких напряжениях ползучесть становится нелинейной и может ускоряться вплоть до разрушения (прогрессирующая ползучесть).
• Влажность окружающей среды. В сухой среде ползучесть при высыхании значительно больше, чем во влажной. При 100% влажности или при хранении в воде ползучесть минимальна и сводится в основном к основной ползучести.
• Температура. Повышение температуры ускоряет процессы ползучести. При температурах выше 60–80 °C ползучесть может возрастать в несколько раз. При отрицательных температурах ползучесть замедляется.
• Размеры сечения элемента. В тонких элементах (плитах, балках) ползучесть при высыхании проявляется сильнее, чем в массивных (фундаментах, плотинах), так как высыхание происходит быстрее и на большую глубину.

Классификация и виды ползучести

В инженерной практике принято различать несколько видов ползучести в зависимости от характера нагрузки и обратимости деформаций:

• Линейная ползучесть — деформация, прямо пропорциональная приложенному напряжению. Наблюдается при низких уровнях напряжений (до 0,4–0,5 R_b). Для её описания справедлив принцип суперпозиции (принцип Больцмана — Вольтерра).
• Нелинейная ползучесть — деформация, растущая быстрее, чем напряжение. Возникает при высоких уровнях напряжений, когда в бетоне начинают развиваться микротрещины.
• Обратимая ползучесть (упругое последействие). После снятия нагрузки часть деформации ползучести (обычно 10–30%) восстанавливается во времени. Этот процесс называется упругим последействием и связан с обратимой частью вязко-упругих деформаций геля.
• Необратимая ползучесть (пластическая). Основная часть деформации ползучести (70–90%) является необратимой и связана с неупругими сдвигами, микротрещинообразованием и перестройкой структуры.
• Ползучесть при сжатии, растяжении и изгибе. Хотя чаще всего рассматривается ползучесть при сжатии, она проявляется и при других видах напряжённого состояния. Ползучесть при растяжении, как правило, менее изучена, но может быть значимой для трещиностойкости конструкций.

Методы измерения и расчёта

Экспериментальное определение

Для измерения ползучести проводят длительные испытания на специальных стендах. Образцы-призмы или цилиндры из бетона нагружают постоянной нагрузкой с помощью пружин или гидравлических домкратов и в течение длительного времени (от нескольких месяцев до нескольких лет) измеряют их деформации. Одновременно на ненагруженных образцах-близнецах измеряют усадку, чтобы выделить деформации ползучести из общей деформации. Результаты испытаний представляют в виде кривых ползучести (зависимость деформации от времени) и меры ползучести C(t, τ) (деформация ползучести в момент времени t, отнесённая к единице напряжения, приложенного в возрасте τ).

Расчётные модели

Для прогнозирования ползучести в проектировании используются различные эмпирические и полуэмпирические модели, основанные на многочисленных экспериментальных данных. Наиболее известные из них:

• Модель МСФ-10 (fib Model Code 2010) — современная модель, рекомендованная Международной федерацией по бетону (fib). Она учитывает влияние класса бетона, относительной влажности, размеров сечения, возраста нагружения и типа цемента.
• Модель ACI 209 (Американский институт бетона) — широко используемая в США модель, основанная на коэффициентах, учитывающих влияние различных факторов.
• Модель B3 (Bazant — Baweja) — более сложная, физически обоснованная модель, учитывающая механизмы ползучести и усадки на микроуровне.
• Нормы РФ (СП 63.13330, СНиП 2.03.01-84) — в российских строительных нормах ползучесть учитывается через коэффициент ползучести φ_b,cr, который принимается в зависимости от класса бетона, условий твердения и влажности. Для предварительно напряжённых конструкций потери напряжения от ползучести рассчитываются по специальным формулам.

Значение в строительстве и проектировании

Учёт ползучести бетона является обязательным при проектировании ответственных железобетонных конструкций. Игнорирование этого явления может привести к серьёзным последствиям:

• Потери предварительного напряжения. В предварительно напряжённых конструкциях (балках, фермах, плитах) ползучесть бетона приводит к постепенному уменьшению усилия натяжения арматуры, что снижает трещиностойкость и несущую способность конструкции. Эти потери могут составлять 15–30% от начального натяжения.
• Увеличение прогибов. Под действием длительной нагрузки прогибы балок и плит могут увеличиваться в 2–3 раза по сравнению с начальными упругими прогибами. Это особенно важно для большепролётных конструкций.
• Перераспределение усилий. В статически неопределимых системах (рамах, неразрезных балках) ползучесть вызывает перераспределение внутренних усилий между элементами. Например, в опорных сечениях неразрезной балки изгибающие моменты могут уменьшаться, а в пролётных — увеличиваться.
• Потеря устойчивости. В тонкостенных и гибких элементах (колоннах, оболочках) ползучесть может привести к прогрессирующему искривлению и потере устойчивости во времени (явление длительного продольного изгиба).
• Раскрытие трещин. Ползучесть может влиять на ширину раскрытия трещин, особенно в зонах растяжения.

Интересные факты

• Ползучесть бетона была впервые систематически изучена в начале XX века, но её практическое значение стало особенно очевидным с развитием предварительно напряжённого железобетона в 1930–1940-х годах.
• Существует понятие «предела ползучести» — уровня напряжений, при котором ползучесть затухает во времени, не приводя к разрушению. Для большинства бетонов этот предел составляет около 0,75–0,85 от кратковременной прочности.
• В массивных бетонных плотинах ползучесть может продолжаться десятилетиями, вызывая постепенное перераспределение напряжений и образование трещин.
• Для снижения ползучести в современном строительстве применяют высокопрочные бетоны с низким В/Ц, добавки микрокремнезёма и фибровое армирование.

Источники

1. СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». Актуализированная редакция СНиП 2.03.01-84.
2. fib Model Code for Concrete Structures 2010. International Federation for Structural Concrete (fib), 2013.
3. Bazant, Z. P., & Baweja, S. (1995). Creep and shrinkage prediction model for analysis and design of concrete structures—Model B3. Materials and Structures, 28(6), 357-365.
4. Neville, A. M. (2011). Properties of Concrete (5th ed.). Pearson Education.
5. Учебное пособие «Бетоноведение» под редакцией В.И. Соломатова.