Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Теории разрушения бетона 10
1.2. Влияние микроразрушений на прочностные и деформационные качества бетона 21
1.3. Методы экспериментального определения микроразрушений и напряжений oT и V RRT
1.4. Цели исследования .
Глава II. Микроразрушения бетона при центральном сжатии
2.1. Исследование процессов микроразрушений в бетоне естественного твердения
2.2. Влияние условий твердения и состава бетона на процессы трещинообразования
2.3. Микроразрушения в элементах со сложной формой поперечного сечения .
2.4. Влияние размеров сечения на процесс микротрещино образования .
2.5. Выводы .
Глава III. Микроразрушения при изгибе и внецентренном сжатии
3.1. Экспериментальные исследования изгибаемых элементов .
3.2. Методика испытаний образцов на внецентренное сжатие
3.3. Результаты испытаний образцов на внецентренное сжатие .
3.4. Выводы 74
Глава IV. Микроразрушения при плоском напряженном состоянии 75
4.1. Микроразрушения при двухосном сжатии 75
4.2. Влияние напряжений от усадки на процесс микротрещино образования 81
4.3. Теоретическое определение напряжений от усадки 84
4.4. Влияние длительного действия нагрузки на напряженное состояние от усадки 92
4.5. Выводы 101
Глава V. Определение границы микроразрушений и способы ее регулирования 102
5.1.Методы аналитического определения границы микроразрушений 102
5.2. Некоторые методы снижения усадочных напряжений 110
5.3. Выводы
6. Заключение 113
7. Список литературы 115
- Влияние микроразрушений на прочностные и деформационные качества бетона
- Влияние условий твердения и состава бетона на процессы трещинообразования
- Влияние размеров сечения на процесс микротрещино образования
- Влияние длительного действия нагрузки на напряженное состояние от усадки
Влияние микроразрушений на прочностные и деформационные качества бетона
В последующем была выдвинута другая гипотеза, объясняющая происхождение растягивающих напряжений в бетоне, подвергаемому одноосному равномерному сжатию [107, 135]. Предложенная гипотеза основывается на следующих положениях. Бетон представляет собой сложный конгломерат, состоящий из элементов различной жесткости, объединенных в единое целое цементным камнем. Соединяющий жесткие элементы цементный камень обладает двумя противоположными свойствами – усадкой и ползучестью.
Известно, что при равномерной усадке вокруг жесткого заполнителя в облегающем его теле возникает поле растягивающих напряжений, интенсивность которого снижается по мере отдаления от жесткого элемента. Напряженность поля тем выше, чем больше разница в модулях деформаций цементного камня и заполнителя. В противовес усадке ползучесть, т.е. необратимые, неупругие деформации, снижают напряжения вокруг жесткого тела.
Поскольку цементный камень обволакивает жесткие включения (песок, гравий или щебень) резко отличающиеся по своим размерам и форме, в нем возникает хаотическое поле внутренних напряжений, пики которого имеют случайные направление и величину.
Таким образом, к моменту загружения бетона внешней нагрузкой, в нем уже имеется поле внутренних напряжений, возникающих при образовании цементного камня. Интенсивность этого поля переменна во времени и зависит от соотношения деформаций усадки и ползучести. В условиях одноосного напряженного состояния, возникающие в бетоне от внешнего силового воздействия напряжения, распределяются между элементами конгломерата неравномерно. Более напряженными оказываются элементы, обладающие большей жесткостью. Из теории упругости известно, что при одноосном сжатии тела с жесткими включениями вокруг этого жесткого включения возникает неоднородное поле напряжений. При этом раскалывающий эффект от жесткого включения вызывает растягивающие напряжения, ориентированные перпендикулярно к направлению сжатия. Поскольку бетон представляет совокупность различных по размеру элементов произвольной формы и неодинаковой жесткости теоретическое вычисление интенсивности растягивающих напряжений практически невозможно. Физический процесс, происходящий в бетоне при его одноосном загружении, в свете вышеизложенного, можно представить следующим образом: с момента приложения постепенно возрастающей нагрузки в отдельных достаточно многочисленных точках контактов цементного камня с жестким заполнителем происходит суммирование внутренних напряжений от усадки с раскалывающими напряжениями от внешней нагрузки. Напряжения разного знака, суммируясь, снижают экстремальные значения поля напряжений. И, наоборот, происходит сложение этих двух различных по природе напряжений, в том числе и растягивающих, направленных поперек действия сжимающих напряжений. При небольших значениях внешней нагрузки суммарные растягивающие напряжения не приводят к разрушению цементного камня в зоне максимальных растягивающих напряжений.
Появление первых микротрещин обнаруживается при напряжениях RT задолго до достижения конечной прочности опытного образца Rb (Щ - начало микротрещинообразования, Rb призменная прочность). где Уе - коэффициент упругопластичности; єеЄ - упругие деформации; ept - неупругие (пластические) деформации; єь = eet + єр1 - полные деформации.
Полная величина деформации определяется методом сложения упругих деформаций, деформаций ползучести, пластических деформаций и псевдопластических деформаций, находящихся в сложной нелинейной зависимости от напряжений и времени.
По мере повышения внешней нагрузки происходит и увеличение суммарных растягивающих напряжений. Со значения Q- = ] т процесс переходит из стадии сложения напряжений в стадию возникновения и развития микроразрушений. Процесс развития нелинеен - разрушения нарастают быстрее, чем повышается внешняя нагрузка, так как разрушающиеся контакты вызывают перераспределение напряжений и дополнительное «догружение» соседних контактных точек.
При дальнейшем росте внешней нагрузки количество разрушений цементного камня в зонах его контакта с жестким заполнителем растет. Цементный камень постепенно разрушается, жесткие составляющие конгломерата входят в непосредственный контакт, что приводит к их разрушению. Для проверки правомерности выдвинутой гипотезы были проведены экспериментальные исследования [107]. Было испытано три группы образцов, отличающихся по размеру усадочных напряжений за счет исключения крупного заполнителя и применения тепловлажностной обработки на ранней стадии твердения. Каждая группа состояла из образцов малой, средней и высокой прочности. В результате испытаний было установлено, что исключение крупного жесткого заполнителя, т.е. переход на песчаный бетон несколько (на 10-18%) повышает уровень напряжений RT и RVT для всех образцов. Температурно влажностная обработка, наоборот, понижает значения RT и RVT. Снижение указанных напряжений при этом составляет 8-14%. Таким образом, эксперименты подтвердили влияние усадки на процесс образования микроразрушений, однако объяснить природу возникновения микроразрушений явлением усадки цементного камня не представляется возможным, так как это влияние не велико.
Сделанный выше вывод заставил продолжить исследования с целью найти причины возникновения и развития микроразрушений в бетоне при одноосном сжатии.
Было высказано предположение, что микроразрушения возникают в цементном камне в результате исчерпания его несущей способности вокруг пор [19, 136]. Изучение структуры цементного камня [83] показывает, что даже самый плотный водонепроницаемый цементный камень содержит значительное количество пор различного диаметра и ориентации.
Установлено, что существенное изменение деформаций усадки цементного камня вокруг жестких включений в виде крупного и мелкого заполнителя незначительно отражается на величине напряжений R j, соответствующих началу микроразрушений. Из сказанного вытекает, что причину трещинообразования следует искать в цементном камне. Чтобы убедиться в правильности высказанного предположения в МГАКХиС были выполнены две группы экспериментов [19]. Изготавливались три серии призм, отличающихся по прочности. Каждая серия состояла из 9 образцов, разделенных на 3 части. Одна часть изготавливалась из обычного бетона. В образцах второй части исключали крупный заполнитель (песчаный бетон). Образцы третьей части были изготовлены из цементного камня.
Поскольку одной из причин микроразрушений может служить пористость цементного камня, во второй группе образцов менялась величина водоцементного отношения и активности цемента. Таким образом, при одинаковой прочности пористость цементного камня была различной.
В общей сложности было испытано 27 призм с разным составом заполнителей и 21 призма с разной пористостью.
Поскольку в проводимых исследованиях важное значение уделялось влиянию пор в цементном камне на развитие микроразрушений производилось определение пористости образцов. С этой целью определялись объемный и удельный вес кубиков с ребром 10 см. Для определения объемного веса кубики высушивались при температуре 105оС. Удельный вес получали по результатам взвешивания высушенных кубиков и тех же кубиков, выдержанных в течение трех суток в воде. Полученные в результате испытаний данные приведены в таблицах 1.1 и 1.2.
Влияние условий твердения и состава бетона на процессы трещинообразования
При напряжениях y Rj начинается развитие микроразрушений, плотность материала уменьшается и, соответственно, падает скорость ультразвука. При напряжениях y = R}f скорость ультразвука соответствует скорости в незагруженном образце. При 7 Rf скорость ультразвука меньше, чем у незагруженного образца, т.е. объем образца увеличился за счет сжатия настолько, что стал превышать объем образца до загружения. Сопоставление результатов определения напряжений R j ультразвуковым и тензометрическим (по изменению объема) способами показывает, что оба метода при центральном сжатии дают достаточно близкие результаты (таблица 1.4) [130]. / пхТ К „У Среднее значение отношения Щ) /Щ) составляет 1,005. Таким образом, выбор того или иного метода определяется условиями эксперимента.
Выполненный обзор теоретических и экспериментальных исследований показал, что эксплуатационные свойства бетона во многом определяются достоверной оценкой фактического напряженно-деформированного состояния.
Необходимость количественной оценки влияния различных факторов на границу начала микроразрушений обосновано тем, что обширные исследования процесса микротрещинообразований осуществлялось на образцах ограниченного размера при их центральном сжатии. Именно эти исследования позволили установить связь между призменной прочностью Rb и напряжениями Rj и R .
Между тем, в действующих нормах и данных многочисленных исследований отражена зависимость прочностных свойств бетона от размеров и формы сечения конструкций, от характера напряженного состояния. В какой мере зависимости, установленные для прочностных свойств материала, распространяются на процесс трещинообразования осталось неизвестным. Эксперименты показывают, что напряжения соответствующие началу процесса микротрещинообразования зависят от целого ряда факторов. Однако размер этого влияния не установлен.
Для повышения расчетной надежности железобетонных конструкций необходимо разработать аналитический способ определения начала процесса микротрещинообразования в бетоне под нагрузкой в процессе производства и эксплуатации железобетонных конструкций с учетом факторов, оказывающих влияние на уровень границы микротрещинообразования.
В рамках проводимых исследований предполагается изучить следующие вопросы: - влияние на процесс микротрещинообразования условий твердения бетона конструкций; - влияние на процесс микротрещинообразования характера напряженного состояния бетона, соответствующего изгибу и внецетренному сжатию; - характер процессов микротрещинообразования при плоском напряженном состоянии и при стесненной усадке; - влияние размеров и особенностей поперечного сечения конструкции на процессы микротрещинообразования. Исследования предполагается проводить с использованием опубликованных в технической литературе результатов экспериментов. Глава II
Исследование процессов микроразрушений в бетоне естественного твердения Известно, что большинство экспериментальных исследований процессов образования и развития микротрещин в бетоне при центральном сжатии был выполнен на образцах естественного твердения [19, 26, 27, 31, 62, 107, 130].
Во всех экспериментах опытные образцы (призмы) перед испытаниями центрировались по физическому центру. Отцентрированные образцы загружались ступенчатой нагрузкой, составляющей примерно 0,050, 1 от ожидаемой разрушающей нагрузки. В процессе загружения механическими тензометрами или электрическими датчиками фиксировались продольные (вдоль действия напряжений) и поперечные деформации образцов. В некоторых экспериментах измерялась скорость звука в поперечном направлении относительно возникающих усилий. У образцов в широких пределах варьировалась прочность.
В результате экспериментальных исследований установлено, что по мере увеличения прочности увеличиваются и напряжения, соответствующие началу микроразрушений. В полулогарфимическом масштабе зависимость gjRb от Rb показана на рисунке 2.1. Обращает на себя внимание существенный разброс значений j/Rb соответствующих значению Rb.
Влияние размеров сечения на процесс микротрещино образования
Для исследования влияния на прочность размеров и формы сечения, а также возможных дефектов и других факторов целесообразно воспользоваться статистической теорией прочности [49, 91]. В соответствии с этим модель разрушения бетона при сжатии представляется в такой последовательности.
Под действием растягивающих напряжений вторичного поля разрушается одна из частиц, входящих в элементарный объем. Разрушение частицы приводит к разрушению элементарного объема и появлению микротрещины. Разрушение одного или нескольких элементарных объемов еще не означает разрушение всего сечения. Сечение разрушится в том случае, когда число разрушенных элементарных объемов в нем достигнет некоторой предельной величины, которую можно назвать критической. В этот момент процесс разрушения из стадии равномерного переходит в стадию самоускоренного развития, и происходит разделение образца на части. В это время среднее напряжение вторичного поля достигают средней прочности сечения на разрыв.
Таким образом, прочность на сжатие в рассматриваемой модели зависит от прочности на разрыв, подобно тому, как прочность цепи зависит от прочности на разрыв отдельного звена. Допустим, что известна функция распределения прочностей отдельных сечений, то есть известна вероятность Рс разрушения произвольно взятого сечения от напряжений аспс. Тогда вероятность того, что это сечение не разрушится от заданного напряжения составит 1–Рс. Вероятность того, что не разрушится образец из п сечений равна (1– Р сf. Вероятность разрушения хотя бы одного из п сечений (и, следовательно, и всего образца) составит Рх = 1 - (1 - Рс)п. Если принять ширину условного сечения за единицу длины, то число сечений, в которых возможно появление разрушения, будет равно полупериметру поперечного сечения q , поскольку каждое сечение, пересекая элемент, дважды пересекает его периметр. Тогда вероятность разрушения при одноосном сжатии можно выразить в виде: Распределение такого вида при достаточно большом q приближенно можно заменить асимптотическим распределением вида [48]: где Ro – средняя прочность «эталонного» образца; а, b и – коэффициенты, определяемые из опыта. Используя формулу 2.5 к изучению прочности бетонных образцов можно установить, что влияние объема на минимальную прочность образца невелика, и что минимальные прочности, определенные на основе асимптотического и нормального распределений, достаточно близки. В соответствии с этим можно записать:
Здесь значение коэффициента устанавливается экспериментально. Для проверки полученной зависимости могут служить экспериментальные данные, полученные в результате испытаний призм размером 101040 см и образцов 404010 см [30]. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.11.
Таким образом, исследования показали, что объем элемента не оказывает существенного влияния на его прочность и, следовательно, на процессы микротрещинообразования. В то же время, увеличение поверхности элемента при сохранении постоянства объема снижает прочность бетона и в равной степени уровень образования микроразрушений. Этот вывод, в частности, подтверждается результатами испытаний образцов с каналами, наличие которых существенно увеличивает поверхность элемента.
Изучение влияния условий твердения и состава бетона на процесс микротрещинообразования позволил установить, что пропаривание в процессе твердения снижает границу микротрещинообразования примерно на 20%. Отсутствие крупного жесткого заполнителя наоборот эту границу повышает в среднем на 15 %. Происходящее объясняется отрицательным влиянием усадки цементного камня на процесс микротрещинообразования.
Исследование процессов микротрещинообразования в защитном слое бетона железобетонных конструкций показало снижение уровня границы образования микротрещин RoT в наиболее тонкой части сечения (в защитном слое) по сравнению с массивной части сечения на 32% для образцов естественного твердения и 51% для пропаренных образцов [37].
Арматура в виде пучка и хомуты из арматуры периодического профиля не оказывают влияния на напряжения соответствующие началу процесса микротрещинообразования. Глава III
В сжатой зоне изгибаемого элемента напряжения меняются по высоте сечения, и напряженное состояние в бетоне существенно отличается от распределения напряжений при центральном сжатии. Важно также и то, что по мере повышения изгибающего момента характер эпюры напряжений в сжатой зоне меняется от треугольной при небольших нагрузках к криволинейной при нагрузках, близких к разрушающим. В связи с изложенным, представляет интерес исследование процессов микроразрушений в сжатой зоне изгибаемого элемента.
К настоящему времени известно лишь две работы, в которых исследовались процессы образования и развития микроразрушений в сжатой зоне изгибаемых элементов [33, 107]. В обоих случаях использовались одинаковые специально для этих целей запроектированные балки. Эти балки высотой 40 см и длиной 320 см в средней трети пролета имели ширину 15 см. Концы балок были уширены до 30 см. В качестве растянутой арматуры использовалась высокопрочная проволока диаметром 5 мм с временным сопротивлением 15001700 МПа (рисунок 3.1).
Особенностью опытных балок было то, что в процессе бетонирования в сжатую зону устанавливались специальные «силовые» датчики, позволяющие фиксировать напряженное состояние сжатой зоны.
Влияние длительного действия нагрузки на напряженное состояние от усадки
Используемое в расчетах соотношение диаметра стержня и толщины защитного слоя бетона fa = 0,47. Толщина защитного слоя принята равной 4 см, относительная влажность окружающей среды 70%. Граничные величины напряжений соответствуют двум значениям у = 0,04 и 0,02.
Сопоставляя значения тах уУ1Кър с графиком влияния растягивающих напряжений на величину Rj/Rb можно заключить (см. рисунок 4.2), что стесненная усадка оказывает весьма существенное влияние на снижение уровня напряжений, соответствующих началу микроразрушений [43]. У высокопрочных бетонов при неблагоприятном соотношении меры ползучести и деформаций усадки микроразрушения могут возникнуть уже в процессе твердения до передачи усилий предварительного обжатия [43].
Исследование влияния двухосного сжатия на границу микротрещинообразования, с использованием образцов, имитирующих стесненную усадку бетона в защитном слое, показало, что относительно небольшие растягивающие напряжения существенного влияния на развитие микротрещин не оказывают, но с ростом этих напряжений их влияние становится весьма существенным. На величину напряжений, соответствующих началу микроразрушений стесненная усадка бетона в защитном слое оказывает весьма существенное влияние [48]. У высокопрочных бетонов при неблагоприятных условиях микротрещины могут образовываться уже в процессе твердения.
Количественная оценка влияния двухосного сжатия показывает, что данное напряженное состояние повышает уровень относительной границы микротрещинообразования до 10 % в зависимости от класса бетона.
Методы аналитического определения границы микроразрушений Для проектирования железобетонных конструкций более наджно необходимо уметь аналитически определять напряжения RT и RT для заданного класса бетона. В практических расчетах обычно используются такие прочностные показатели, как привязанные к классу бетона призменная прочность Rb и предел прочности на растяжение Rbp. В качестве характеристики деформативности используется, также привязанный к классу бетона, соответствующий модуль деформаций Е нS. Перечисленные выше параметры отражены в государственных нормативных документах. Поэтому границу микроразрушений целесообразно выразить как функцию призменной прочности
Однако приведенные в предыдущих разделах материалы показывают, что граница микроразрушений R\ и увеличение объема R\ зависят не только от прочности материала, но и от целого ряда других факторов: условий твердения, характера напряженного состояния и др. Учесть влияние этих факторов целесообразно введением к формулам (5.1) и (5.2) системы соответствующих поправочных коэффициентов [38]:
В предыдущих разделах было показано, что значения RT и RT для одного и того же значения Rb могут отличаться в значительных пределах. Исходя из того, что превышение напряжений RT может привести к неблагоприятным последствиям, величину i?x = f\{Rb) следует выражать как нижнюю возможную границу накала микроразрушений для заданной величины призменной прочности. Аппроксимация экспериментальных данных дает для отношения Rj/Rb следующее выражение [38]:
Для удобства расчетов с достаточной для практических целей точностью значение выражения для RjlRb можно представить через выражение (5.5) для RjlRb, используя для этого отношение RjlRb. В этом случае будем иметь:
Таким образом, исходной зависимостью, с помощью которой могут быть определены все остальные, становится функция Rj/Rb = f\(Rb), полученная из экспериментов на центральное сжатие из обычного бетона, твердеющего в естественных условиях. Как было показано в работе [18, 28, 38, 107] условия твердения бетона оказывают определенное влияние на уровень образования микротрещин. Это влияние количественно может быть оценено по данным, приведенным на рисунке 5.1. Для построения графика использованы результаты экспериментальных исследований, приведенные в главе II настоящей работы. Как следует из графика пропаривание снижает уровень образования микротрещин в среднем на 20 % .
График зависимости отношения RoT/Rb от призменной прочности при разных условиях твердения бетона
Сравнение проведено с бетоном, твердевшим в естественных условиях при относительной влажности воздуха примерно 70%.
В бетоне, твердевшем при пониженной влажности, уровень напряжений RoT/Rb также ниже, чем у бетона, твердевшего при нормальной влажности. Снижение уровня RoT/Rb в данном случае составляет 20-25%.
Приведенные данные дают возможность установить численные значения поправочного коэффициента К1, учитывающего влияние условий твердения бетона на уровень RoT/Rb. Соответствующие значения К1 приведены в таблице 5.1.
Определенное влияние на уровень напряжений RoT/Rb оказывает вид напряженного состояния. Так, граница образования микротрещин в наиболее напряженном слое изгибаемого или внецентренно сжатого элемента выше соответствующего значения, полученного при центральном сжатии [38].