Deformatiile betonului

Betonul prezinta deformatii complexe datorita unor factori fizici (temperatura, umiditate), caracterului evolutiv al structurii si compozitiei sale, precum si solicitarilor mecanice. Complexitatea factorilor ce produc deformatiile, modul de manifestare asemanator al acestora, fac practic imposibila departajarea contributiei fiecarui tip de deformatie la cea finala.

Dilatarea si contractia termica

Dilatarea termica a betonului este proprietatea acestuia de a-si mari volumul la cresterea temperaturii si este rezultatul dilatarii tuturor componentilor sai. Fenomenul are loc atat datorita cresterii temperaturii mediului ambiant, cat si, in perioada initiala, datorita degajarii de caldura ce insoteste procesele de hidratare-hidroliza ale cimentului.

Dilatarea termica a betonului creste odata cu dozajul in ciment. Cand coeficientul de dilatare termica al agregatelor este mult diferit de cel al pietrei de ciment, apare efectul distructiv al dilatarii si contractiei diferentiate, care determina amplificarea sistemului de microfisuri al betonului.

Aprecierea dilatarii si contractiei termice a betonului se face prin determinarea coeficientului de dilatare liniara, masurat pe epruvete prismatice, iar pentru unele lucrari si dupa coeficientul de dilatare volumica, masurat pe epruvete cubice.

Determinarea experimentala a coeficientului de dilatare termica este o operatie dificil de realizat, deoarece prin ridicarea temperaturii se produce si o pierdere a apei din beton, ceea ce conduce la manifestarea fenomenului de contractie.

Coeficientul de dilatare liniara al betonului are valori cuprinse intre 0,7   10^-5 K^-1, in functie de natura agregatelor, dozajul si natura cimentului. In calculele obisnuite se ia egal cu 10   10^-5 K^-1, practic egal cu cel al otelului moale.

Contractia si umflarea betonului

Contractia si umflarea betonului sunt deformatii ce determina modificari dimensionale ale elementelor de beton datorita fenomenelor ce au loc in procesul de intarire si al variatiilor de umiditate. Contractia si umflarea sunt deformatii independente de sarcinile exterioare si se dezvolta in timp dupa curbe de tip exponential (fig. 6). Pastrat alternativ in aer si apa, betonul prezinta deformatii de contractie si umflare, cele doua fenomene fiind, datorita modificarilor din structura betonului, numai partial reversibile. In timp, dupa cicluri succesive de contractie-umflare, exista o tendinta de amortizare a amplitudinii fenomenului.

Figura 6. Variatiile dimensionale ale betonului functie de conditiile de pastrare

Fenomenul de contractie reprezinta principala cauza a fisurarii betonului, incepand de la suprafata de separatie matrice-agregat si apoi in matrice.

Fisurile de contractie sunt preexistente celor provocate de solicitarile mecanice.

Fisurarea apare in momentul in care efortul unitar din beton depaseste rezistenta la intindere a acestuia.

Contractia si umflarea betonului sunt manifestarea unor fenomene complexe ce-si cumuleaza efectele actionand din starea de beton proaspat si evoluand pe intreaga durata de viata a constructiei din beton.

Contractia betonului proaspat poarta denumirea de contractie plastica.

Betonul intarit manifesta contractie la intarire, contractie la uscare si contractie de carbonatare.

Contractia plastica este reducerea de volum a betonului imediat dupa punerea in lucrare si se poate manifesta cu intensitati diferite pana la sfarsitul prizei betonului. Ea este un rezultat al pierderii apei prin evaporare sau prin absorbtia ei de catre agregate (in special poroase), cofraje. Contractia plastica este foarte periculoasa pentru elemente cu modul de suprafata mare, iar cand se produce intens, poate genera fisuri si slabirea aderentei intre matrice si agregat, in toate elementele din beton.

Betonul mai prezinta o micsorare de volum ca rezultat al reactiilor chimice de hidratare-hidroliza a cimentului, care se mai numeste si contractie chimica sau contractie la "intarire".

Ea este un rezultat al faptului ca volumul absolut al produsilor de hidratare formati este mai mic decat suma volumelor absolute ale cimentului si al apei. Aceasta genereaza fenomene capilare la suprafetele de separatie lichid-aer din porii pietrei de ciment, si ca urmare, tensiuni interne corespunzatoare presiunii capilare.

Contractia la uscare si umflarea la umezire sunt rezultatul al variatiei cantitatii de apa din beton, in stransa corelatie cu umiditatea relativa a mediului de pastrare.

Contractia masurata dupa sfarsitul prizei, deci cuprinzand contractia chimica si cea de uscare se numeste contractie hidraulica.

Pierderea apei din beton se face in ordinea crescatoare a energiei de legatura a apei fata de fazele solide. Evaporarea apei libere, continuta in cavitati si in pori mai mari decat cei capilari nu genereaza contractie (sau valoarea acestuia este foarte mica). Contractia este generata in principal de pierderea apei adsorbite, in ordinea crescatoare a energiei de legatura cu faza solida.

Contractia la intarire are loc in conditiile in care este evitat schimbul de umiditate intre beton si mediu si se datoreste "pierderii de apa" in sens chimic.

Contractia la uscare, insoteste transferul de umiditate din beton in atmosfera.

Sub actiunea bioxidului de carbon din atmosfera, betonul (piatra de ciment in particular) se carbonateaza in timp; reactia are loc cu punere in libertate de apa evaporabila si este insotita de contractie ireversibila, denumita contractie de carbonatare.

Betonul conservat in apa manifesta cresteri de volum (fig6); fenomenul se numeste umflare si se datoreste mai ales, absorbtiei apei in piatra de ciment.

Fenomenele de contractie-umflare, influenteaza durabilitatea betonului, mai ales cand se succed des, contribuind la formarea si amplificarea microfisurilor (indeosebi la suprafata de separatie intre matrice si agregat) precum si la manifestarea tendintei de fisurare a elementelor de constructie din beton.

In elementele de constructie a caror deformare este impiedicata pot aparea fisuri, generate de tensiunile interioare care iau nastere datorita contractiei.

Contractia la intarire se manifesta dupa incheierea prizei cimentului si prezinta - dupa debut - intensitate mai mare, care scade in timp, tinzand spre stabilizare.

Marimea contractiei la intarire - masurata ca deformatie liniara - este de aproximativ 0,04   10^-3 dupa o luna si de 0,1   10^-3 (0,1 mm/m) - dupa 5 ani.

Dupa contractie, la reumezire, betonul se umfla, dar numai o parte din contractie este reversibila, iar la umeziri si uscari alternative se produce o amortizare treptata a variatiilor dimensionale. Contractia este partial reversibila, partial ireversibila (fig. 7).

Figura 7. Contractiile betonului

Contractia reversibila este cauzata de fenomene fizice de interactiune dintre piatra de ciment si apa, cum ar fi: presiunea capilara, presiunea de despicare, energia superficiala.

Contractia ireversibila apare in special la prima uscare si depinde in primul rand de porozitatea matricei, deci de raportul apa/ciment si gradul de hidratare. Ireversibilitatea contractiei este legata si de evolutia proceselor de hidratare-hidroliza cu aparitia unor noi legaturi intre particulele de hidrosilicati de calciu, cu o noua geometrie a aranjarii lor si a porozitatii.

Deoarece cea mai critica perioada a contractiei la uscare a betonului este imediat dupa turnare, acesta trebuie mentinut umed cateva zile (in functie de natura cimentului), pana cand sistemul cristalin se consolideaza, rezistentele sale cresc si efectul contractiei se reduce.

Tendinta de amortizare in timp a deformatiilor date de contractia si umflarea betonului este determinata de imbatranirea gelurilor din structura pietrei de ciment, care devin astfel mai putin sensibile la variatiile de umiditate.

Contractia si umflarea betonului sunt influentate de numerosi factori, dintre care cei mai importanti sunt: compozitia betonului, modul de punere in lucrare a acestuia, dimensiunile elementului, umiditatea mediului inconjurator, timp.

Contractia betonului este influentata de compozitia mineralogica a cimentului (cimenturile cu continut ridicat in C₃A au o contractie la uscare mai mare) si de finetea lui de macinare (cimenturile mai fin macinate dau contractii mai mari). Contractia betonului creste odata cu dozajul de ciment, avand valori apreciabil mai mici la betoane decat la mortare si paste de ciment, datorita scheletului rigid format de agregate (fig. 8).

Figura 8. Evolutia in timp a contractiei pietrei de ciment, mortarului si betonului

Datorita efectelor negative ale contractiei, la stabilirea compozitiei si punerea in lucrare a betoanelor, trebuie luate masuri pentru reducerea ei prin:

reducerea raportului apa/ciment la strictul necesar asigurarii lucrabilitatii;

alegerea corespunzatoare a cimentului si limitarea dozajului la cel necesar asigurarii calitatii betonului;

utilizarea agregatelor de granulozitate buna, fara exces de parte fina;

compactare cat mai buna la punerea in lucrare;

pastrarea betoanelor dupa turnare in atmosfera umeda pentru a evita uscarea prematura.

Constructiile din beton si beton armat se impart in tronsoane prin rosturi de deformatii. Aceste rosturi asigura deformarea libera a tronsoanelor respective. Distanta dintre rosturi se calculeaza in functie de cauzele si marimea deformatiilor si in functie de natura lucrarii executate.

Aceste rosturi trebuiesc tratate utilizand materiale specifice (deformabile elastic, plastic, hidroizolatoare, etc).

 Deformatiile betonului sub actiunea incarcarilor exterioare

Sub actiunea incarcarilor exterioare, betonul, material cu proprietati fizico-mecanice specifice, prezinta deformatii complexe, elastice si plastice, care depind atat de compozitia, structura si varsta betonului, cat si de natura, marimea si durata solicitarii.

Deformatiile au un caracter orientat, dezvoltandu-se dupa directia de actiune a solicitarii, ceea ce permite analiza lor pe baza corelatiei dintre eforturile unitare si deformatiile specifice corespunzatoare. Sub efectul solicitarilor exterioare se produc modificari esentiale in structura betonului care sunt reflectate in aspectul curbei efort-deformatie (fig. 9).

Figura 9. Curbe efort-deformatie pentru beton, agregat si pasta de ciment

Deformatiile betonului la incarcari statice de scurta durata

Deformatiile elastice apar la betoane supuse la solicitari de scurta durata, ale caror valori nu depasesc 0,4-0,5 din rezistenta de rupere. Ele sunt caracterizate prin valori proportionale cu marimea efortului care le-a produs, sunt independente de timp, se dezvolta pana la o anumita valoare a efortului de incarcare si sunt reversibile.

Deformatiile elastice se datoresc agregatelor, componentilor cristalini din structura pietrei de ciment si nucleelor inca nehidratate ale granulelor de ciment, care se comporta elastic.

Limita de elasticitate a betonului este in functie de compozitia si structura lui, de marimea, durata si caracterul sarcinii, etc. Forma curbei caracteristice s e, depinde si de viteza de incarcare, curba fiind mai evidenta la incarcari lente.

Deformatiile elastice ale betonului se apreciaza in mod obisnuit, dupa modulul de elasticitate longitudinal, determinat la solicitarea de compresiune statica.

Aceasta se defineste conventional ca raport intre cresterea efortului unitar nominal si cresterea deformatiei specifice corespunzatoare, inregistrate in intervalul 0,05 - 0,30 din rezistenta prismatica a betonului. Valorile modulului de elasticitate al betonului (E_b) depind de compozitia si structura betonului si pot fi corelate cu clasa betonului (tabelul 3).

Tabelul 3. Corespondenta dintre clasa betonului si modulul de elasticitate

In tabelul 4 sunt prezentate valori ale modulilor de elasticitate pentru componentele unor betoane (grele, usoare) si pentru betonul rezultat.

Tabelul 4. Modulii de elasticitate pentru beton si componentii lui

Deformatiile plastice se dezvolta peste un anumit nivel al solicitarii, sunt datorate procesului de microfisurare al betonului si sunt ireversibile.

Continuand incarcarea, fisurile incep sa creasca apreciabil cu aparitia unor punti intre fisurile de la suprafata agregatului; incepe sa se formeze un sistem de fisuri continuu, ajungandu-se la incarcarea critica.

Deformatiile pseudo-plastice apar la incarcari superioare sarcinii critice si sunt produse de o dezvoltare considerabila a sistemului de fisuri si formarea unor suprafete de rupere care conduc la fragmentarea betonului. Sunt caracteristice in special betoanelor de rezistenta mai reduse.

La descarcare, o proba de beton prezinta o deformatie remanenta sau reziduala, e_r, cauzata de deformatiile plastice ireversibile, ea fiind o functie de timp si de modul de incarcare.

Deformatiile betonului la incarcari statice de lunga durata

La incarcari statice de lunga durata, betonul prezinta in afara deformatiilor elastice instantanee, care se produc in momentul aplicarii fortei si deformatii care se dezvolta relativ incet in timp. Aceste deformatii se datoresc in principal proprietatilor vascoase si plastice ale componentilor cu structura gelica din piatra de ciment, sunt singurele care depind de factorul timp si se numesc deformatii de curgere lenta (fluaj).

Sub actiunea incarcarilor in exploatare, deformatiile de curgere lenta se considera proportionale cu eforturile unitare de durata si se dezvolta in timp cu o viteza mai mare imediat dupa aplicarea sarcinilor si apoi din ce in ce mai lent, pana cand fenomenul se amortizeaza (practic dupa 3-5 ani) ca urmare a modificarilor din structura betonului.

Pentru determinarea deformatiilor de curgere lenta este necesar ca din deformatiile totale masurate sub actiunea incarcarilor de durata sa se scada deformatiile elastice si deformatiile de contractie.

La descarcare, deformatia consta intr-o revenire elastica instantane, o revenire lenta, vascos-plastica, iar in final betonul prezinta o deformatie remanenta caracteristica corpurilor vascoase.

Daca la timpul t (fig. 10) se anuleaza sarcina, parte din deformatie se anuleaza cu revenirea instantanee (revenire elastica instantanee) si in timp se continua revenirea cu deformatia (revenire din curgere lenta), care va atinge o anumita limita incat in final betonul inregistreaza o deformatie remanenta sau reziduala (ireversibila). Curgerea lenta ireversibila predomina ca marime, iar importanta ei, in practica utilizarii betonului sub sarcina, este mare. Incarcarea betonului la varsta mai tarzie micsoreaza in special aceasta marime a curgerii lente, dupa cum marirea efortului unitar in beton mareste valoarea componentei ireversibile.

Figura 10. Deformatia de curgere lenta

- deformatie elastica;

- deformatie de curgere lenta;

- revenirea elastica instantanee;

- revenire din curgere lenta;

- deformatie remanenta (ireversibila).

La constructiile de mari dimensiuni, cum sunt barajele hidrotehnice, curgerea lenta apare chiar sub propria greutate.

Marimea deformatiilor de curgere lenta a betonului depinde de: tipul si marimea solicitarii, durata incarcarii, compozitia, structura si varsta betonului, modul de pastrare (umiditate, temperatura), marimea contractiei, volumul elementului solicitat etc.

Deoarece deformatiile datorate solicitarilor de durata pot provoca fisurari, pierderea capacitatii portante, a rigiditatii, redistribuirea eforturilor in betonul armat, pentru limitarea valorilor acestor deformatii se iau masuri la stabilirea compozitiei betonului, la punerea lui in lucrare si tratarea lui ulterioara, pentru obtinerea unui beton compact cu rezistente mecanice ridicate.