Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Ползучесть, в отличие от усадки и температурных деформаций, наблюдается только при наличии нагрузки. Причем деформации в этом случае являются не пространственными, а линейными (в направлении силового воздействия).
Рис. 15. Список парадоксов бетона почти бесконечен. Так, например, его прочность на сжатие обусловлена его ... сопротивлением растяжению
Все, что было сказано до сих пор, касается напряжений и деформаций при сжатии. Почти так же ведет себя бетон и при растяжении с той лишь разницей, что его сопротивление растяжению почти в 10 раз меньше, чем сопротивление сжатию. А это весьма существенное различие... Именно роковое соотношение 1:10 в пользу сжатия определяет почти все особенности и парадоксы не только бетона как материала, но и выполненных из него конструкций (рис. 15).
В качестве примера возьмем хотя бы характер разрушения образца, подвергающегося сжатию. Это может прозвучать неожиданно, но разрушение обусловлено исчерпанием резервов прочности на растяжение, а не на сжатие. Прочности на растяжение, но только в поперечном направлении… Каждая пора или пустота в бетоне (а их бесчисленное множество) может рассматриваться как отверстие в однородном материале, вокруг которого происходит неизбежная концентрация напряжений. Перпендикулярно силовому воздействию возникают деформации (боковое расширение) и, следовательно, боковые напряжения расширения. Именно это вторичное силовое поле в основном решает судьбу элемента, подвергающегося сжатию. Сначала образуются внутренние микротрещины, которые затем расширяются, и материал сжатого бетонного образца разрушается.
Роковое соотношение 1:10 в пользу сжатия определяет и необычную работу бетона и железобетона на изгиб. Из-за относительной слабости растянутой зоны (а также из-за ее особой склонности к пластическим деформациям) прежде всего происходит ее пластификация: крайние, наиболее нагруженные слои начинают течь при фиксированном напряжении, а их примеру вынуждены последовать и внутренние слои. В конечном счете во всей растянутой зоне устанавливаются почти постоянные напряжения, а их диаграмма из треугольника превращается в почти правильный прямоугольник. Поэтому аналогичные напряжения сжатия значительно ниже возможностей бетона, вследствие чего в сжатой зоне пластификация почти не проявляется. Диаграмма напряжений сохраняет линейную, треугольную форму, в силе (с известными оговорками) закон Гука.
При увеличении изгибающего момента разрушение наступает со стороны растянутой зоны — она растрескивается, и элемент ломается. Однако, если вся растягивающая сила будет восприниматься сталью (что имеет место в железобетоне), элемент, несмотря на исключение растянутой зоны собственно бетона, сохраняет способность сопротивляться изгибу; более того, эта способность проявляется в своих истинных размерах. В конечном счете начинает наконец пластифицироваться и сжатая зона. Это происходит с того момента, когда диаграмма напряжений сильно приближается к форме прямоугольника.
Помимо прочности на растяжение и сжатие бетон обладает также прочностью на изгиб, срез, смятие и истирание. Каковы силовые воздействия, такова и прочность бетона. В отличие от древесины у бетона эти характеристики одинаковы во всех направлениях. Их величина определяется в лабораторных условиях после испытания большого числа образцов. Однако неоднородная структура бетона оказывает сильное влияние на устойчивость этих характеристик. Разные результаты получаются даже при испытании одинаковых образцов из бетона одного качества, одного возраста и одинаковых условий «дозревания».
Поэтому график на рис. 13 следует воспринимать как весьма условный. Он относится к некоему среднестатистическому образцу, которого реально вообще может не быть в серии. Примерно при восьмом опыте разрушение наступило при напряжении 170 кг/см2,а при 88-м — при напряжении 110 кг/см2. Варианты среднего значения приданной степени вероятной надежности даются с так называемым коэффициентом однородности. У сталей этот коэффициент близок к единице, тогда как у бетона его величина составляет 0,5—0,6, что тем не менее воспринимается чуть ли не с восторгом.
Точно такое же запутанное положение и с деформациями. Средняя деформация разрушения при сжатии (см. рис. 13) равна 0,2%. Но ведь деформации такого порядка у стали и дерева являются рабочими, конструктивно целесообразными! Следовательно, в отличие от этих двух материалов, которые с деформационной точки зрения реализуют 50—60% своих возможностей, бетон может работать в элементах и конструкциях в пределах всей своей рабочей диаграммы без опасности чрезмерных деформаций и провисания. Поэтому из бетона можно «выжать» все, на что он способен (разумеется, в рамках регламентированной степени надежности).
В результате экспериментов установлено, что независимо от скорости нагрузки конечные деформации в бетоне остаются одинаковыми. Просто при быстром увеличении и последующем сохранении нагрузки создается возможность сравнительно независимого проявления сначала упругих, а затем пластических деформаций (см. рис. 14), тогда как при плавном, постепенном нагружении материала два вида деформаций (упругие и пластические) проявляются одновременно, и рабочая диаграмма представляет собой сильно изогнутую кривую (см. рис. 13). Однако в обоих случаях разрушение происходит при предельной деформации сжатия, которая в среднем составляет 0,2%. При нагрузке на растяжение предельная деформация приблизительно равна 0,02%, да и то лишь у бетона достаточно высокой марки. Если теперь мы разделим одну из приведенных величин на другую, то получим роковое отношение 1:10 в пользу сжатия.
Основной прочностью бетона считается так называемая кубиковая прочность. Согласно стандартам НРБ, образцами для испытания бетона служат бетонные кубики со стороной 20 см, выдержанные при температуре 15—20°С и влажности воздуха около 60%. Образцы испытываются на сжатие на 28-й день после изготовления. Полученная прочность определяет так называемую марку бетона. Стандартными марками обычного тяжелого бетона, согласно нормам НРБ, являются: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600. Например, бетон марки 200—это бетон, стандартные кубики которого при испытаниях обнаружили среднюю прочность 200 кг/см2.
При проектировании марка бетона выбирается в зависимости от характера конструкции и технико-экономических условий. Для чисто бетонных элементов и конструкций (основания, фундаменты, подпорные стенки и т. д.) чаще всего используется бетон марок 150—200, для обычных железобетонных конструкций — 150—200, реже 300, а для предварительно напряженных конструкций — 400 и выше.
В заключение разговора о бетоне еще раз подчеркнем, что его главное достоинство — высокая прочность на сжатие, а основной недостаток — низкое сопротивление растяжению. Но, как мы убедимся позже, эта «болезнь» излечима, поскольку в наши дни в строительстве наиболее широко применяется не обычный, а армированный бетон, т. е. железобетон. И если часто бетон, армированный сталью, называют материалом XX в., это не преувеличение, так как именно из железобетона строится основная часть всех зданий и сооружений на нашей планете. В замыслах, проектах и реализованных конструкциях он приобретает формы, которые невозможны при использовании любого другого материала, — формы, которых не знает ни природа, ни история. Подобно тому как дети лепят из пластилина самые необычные фигурки, инженер-строитель «лепит» из этого замечательного материала свои конструкции, воплощает свои новые идеи, реализует в нем свои концепции. В этом таинственном процессе сложнейшим образом переплетаются соображения красоты и надежности, рациональности и технической целесообразности. Здесь человек должен быть одновременно скульптором, физиком и инженером. Разве неприятно облекать свои идеи в подходящий пластичный материал, который быстро превращается в прочный монолит? Этот процесс более чем приятен — он восхитителен.
ЭСКАЛАЦИЯ РАЗМЕРОВ И ИДЕЙ
ГАЛОПОМ ЧЕРЕЗ ГОДЫ
18 мая 1975 г. в геометрическом центре Польши был смонтирован последний элемент самого высокого сооружения нашего времени — 646-метровой мачты национальной радиостанции в Константинуве, в 100 км от Варшавы. А осенью следующего года телеграфные агентства сообщили, что в Японии сдан в эксплуатацию самый большой висячий мост в мире. Его центральный пролет длиной около 2,5 км действительно является самым большим расстоянием, которое «преодолел» человек. Эти два события представляют собой предел — разумеется, временный — внушительной эскалации размеров в строительстве, который наиболее ярко отражает мощь современной техники.
