Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Однако сразу же в противовес сказанному выше отметим недостатки бетона как материала для строительных конструкций. Так, например, при выполнении монолитных железобетонных конструкций для опалубки требуется большое количество лесоматериалов, строительство не только удорожается, но и удлиняются его сроки. Этот недостаток преодолевается при строительстве из сборного железобетона. Однако такая форма строительства, естественная и неизбежная для стали и дерева, для железобетона не столь естественна. Вообще говоря, «шлягером» бетона являются классические монолитные конструкции.
Производство бетона является не таким простым, как может показаться на первый взгляд; оно включает изготовление опалубки, армирование, укладку бетонной смеси (с вибрированием), вообще весь процесс строительства здания или сооружения. Кроме того, чтобы получаемые результаты отвечали требованиям сегодняшнего дня, необходимы квалифицированные кадры — бетонщики, плотники-опалубщики, арматурщики, сварщики. И все это ради материала, отличающегося низкой шумо- и теплоизоляционной способностью. Ремонт и усиление железобетонных конструкций в случае их повреждения или аварий в процессе эксплуатации связаны со значительными трудностями и довольно большими затратами времени.
Но есть нечто особенно неприятное. Речь идет о малой прочности самого бетона на растяжение, которая почти в 10 раз ниже, чем его прочность на сжатие. Вследствие этого бетон склонен к трещинообразованию, представляющему большую сложность для человечества. С одной из причин образования трещин — усадкой — мы уже познакомились. Но, к сожалению, это еще не все. Обычный железобетон, как мы потом убедимся, нормально работает при наличии трещин; они (к сожалению) неизбежны при напряжениях и деформациях в бетоне. Но трещины крайне негативно отражаются на общей жесткости элемента и конструкции в целом, не говоря уже о том, что существует опасность коррозии находящейся в бетоне стали.
Из этого положения есть выход, который называется «предварительно напряженный железобетон» (о нем мы узнаем немного позже). Можно сказать, что ни один из недостатков бетона и железобетона нельзя назвать вечным и неустранимым, что само по себе большой плюс этого материала. В сущности, нам уже пора перейти к его плюсам.
АПОКАЛИПСИС ХАОСА
Сама технология укладки бетона обусловлена его исключительными архитектурными и конструктивными возможностями: он принимает такую форму, какую мы только пожелаем. Пластичность бетонной смеси позволяет сравнительно легко облечь в плоть наиболее рациональные конструктивные решения, самые эффективные архитектурные замыслы. В этом отношении он единственный, бесценный, незаменимый.
Одна приятная особенность — с годами прочность бетона при благоприятных условиях не только не уменьшается, но даже возрастает. Это свойство делает железобетонные конструкции самыми долговечными, рассчитанными чуть ли не на века. При этом для бетона (за исключением сборных конструкций) не существует проблемы соединений, которая так важна для стали и дерева. Конструкция изготовляется целиком, монолитно и, по существу, представляет собой единый искусственный камень сложной формы с большой несущей способностью. Монолитность обеспечивает значительную жесткость и высокое общее сопротивление опасным горизонтальным усилиям при землетрясениях и ураганах.
Но важно, какой ценой покупаются все эти заманчивые качества. К радости человечества и славе бетона — весьма низкой. Хотя его механические характеристики значительно хуже, чем у стали, но ведь и их стоимость несопоставима. Здесь бетон «берет верх» во многих отношениях. Прежде всего понятие «дефицитность» к нему просто неприменимо: в его состав входят те материалы, которые имеются везде. Что же касается наиболее тонкого и качественного компонента — цемента, то его производство во много раз проще и дешевле, чем производство стали.
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"
Тогда картина будет еще менее приятной (рис. 14). Всякая задержка нагрузки приводит к ползучести — к увеличению деформаций при постоянных, фиксированных напряжениях. Это явление наблюдается и в случае применения сталей, хотя и в более ограниченных масштабах. В реальных конструкциях деформации ползучести крайне нежелательны, но абсолютно неизбежны. Причем они тем больше, чем выше фиксированные напряжения и чем ниже марка бетона. Сильнее всего ползучесть проявляется в первые 4—5 месяцев после нагрузки, а через несколько лет почти затихает. Следует отметить, что величина деформаций этого рода в четыре-пять раз выше величины упругих деформаций.
