Введение к работе
Актуальность работы. Бетон в настоящее время является одним из основных строительных материалов, на основе которого создаются бетонные и железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий, транспортных и энергетических сооружений, ответственных оборонных, и других специальных сооружений. Однако для бетона до сих пор еще не создана законченная теория деформирования и разрушения и вместе с этим не решен ряд вопросов расчета бетонных и железобетонных конструкций. В большинстве случаев до сих пор используются эмпирические и полуэмпирические зависимости, полученные для частных случаев.
Бетон является многокомпонентным материалом, свойства которого во многом определяются его структурой. Этим во многом объясняются трудности создания теории деформирования и разрушения бетона. Уже при сравнительно невысоких напряжениях в бетоне начинается процесс разрушения структуры. С увеличением нагрузки процесс разрушения непрерывно развивается, причем, для бетона даже при кратковременном действии нагрузки не определен четкий критерий разрушения, подобный, например, пределу текучести у металлов.
Б.Г. Скрамтаевым была проведена одна из первых работ, посвященных анализу причин разрушения цементного камня и бетона. Им была выделена ведущая роль цементного камня в создании прочности бетона и подчеркнута роль пор и других неод-нородностей в структуре бетона как концентраторов напряжений, существенно снижающих прочность материалов. Далее значительную роль в создании основ теории прочности бетона сыграли работы А.А. Гвоздева, показавшего, что неоднородность бетона создает поле возмущения напряжений. Влед за А.А. Гвоздевым существенный шаг в развитии теории деформаций и прочности бетона сделал О.Я. Берг, показавший, что основную роль как в деформациях материалов при высоких нагрузках, так и в процессе их разрушения играют мельчайшие трещины. Разработанные О.Я. Бергом, а затем развитые Ю.В. Зайцевым положения теории разрушения бетона принципиально отличались от других предложении ясностью своих физических основ. Они позволили вплотную подойти к созданию математической теории хрупкого разрушения бетона, основанной на использовании современных методов механики разрушения.
Настоящая диссертация посвящена развитию такого подхода к теории прочности и деформаций бетона, применительно к случаю осевого кратковременного растяжения и сжатия бетонов различной структуры с учетом влажности.
Целью настоящей работы является оценка общих закономерностей, связывающих макроструктуру тяжелого цементного бетона с его механическими характери-
стиками при осевом растяжении и сжатии в условиях кратковременного и длнтельногс нагружения.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи.
-
Разработка методики эксперимента, позволяющей получать достоверные и сопоставимые результаты при разных видах напряженного состояния, условиях нагружения и методах измерения изучаемых параметров.
-
Исследование влияния макроструктуры на механические характеристики бетона, нормируемые в действующих документах для расчета и проектирования бетонных и железобетонных конструкций, такие как пределы прочности при сжатии и растяжении, модуль упругости, коэффициент Пуассона, мера ползучести, длительная прочность; установление общих закономерностей как для значений отдельных характеристик, так и для соотношений между ними.
-
Исследование процесса мшсротрещинообразования при нагружении бетонов разной структуры и влажности и связи структурно-механических характеристик - верхней и нижней границ микротрещинообразования, определяемых при кратковременном нагружении, с характеристиками длительного нагружения.
-
Исследование влияния макроструктуры бетона на параметры механики разрушения и нх связь с механическими характеристиками бетонов.
-
Проведение численного моделирования процесса разрушения бетона с учетом его структуры при сжатии и растяжении и разработка предложений по прогнозированию и оптимизации механических свойств бетона с учетом структуры.
Автор защищает:
методический подход к решению задачи о связи механических характеристик бетона при сжатии и растяжении с параметрами его макроструктуры;
полученные в результате эксперимента зависимости, связывающие механические характеристики цементного камня, мелкозернистого и обычного тяжелого бетона при осевом растяжении, кратковременном и длительном осевом сжатии с их макроструктурой;
полученные зависимости между структурно-механическими и кратковременными и длительными механическими характеристиками бетона;
полученные из эксперимента значения параметров механики разрушения и их связь с макроструктурой бетона;
-комплекс средств и методов измерения механических и структурно-механических характеристик бетона при кратковременном и длительном нагружении;
- результаты численного эксперимента по определению методами механики раз
рушения прочностных и деформативных характеристик цементного камня, мелкозер
нистого я обычного тяжелого бетона при осевом растяжении и сжатии.
Научная новизна работы состоит в создании комплексного экспериментально-теоретического подхода к решению задачи о связи механических, структурно-механических характеристик и параметров механики разрушения с макроструктурой тяжелых бетонов, отличающихся своими составами. Комплексный подход состоял в параллельном использовании разнообразных современных средств и методов экспериментального исследования, современного математического аппарата и средств вычислительной техники для исследования широкого спектра механических кратковременных и длительных характеристик специально подобранной гаммы макроструктур мелкозернистого и обычных тяжелых бетонов.
Такой подход позволит получить достоверные взаимопроверяемые результаты и провести их детальный анализ, построить и подтвердить работоспособность математической модели бетона, позволяющей расчетным путем находить его деформативные и прочностные характеристики.
Практическое значение работы. Разработаны методики определения механических и структурно-механических характеристик бетона и параметров механики разрушения, вошедшие в нормативные документы разных рангов.
Разработана методика расчета прочностных и деформативных характеристик бетона в зависимости от структуры и свойств его компонентов с использованием методов механики разрушения.
Найдены зависимости между механическими характеристиками бетона и параметрами его структуры при кратковременном и хтительном загружении. позволяющие проектировать бетоны с заданными свойствами.
Реализация работы. Результаты работы включены в следующие документы:
Методика МИ 11-87 "Прочностные и деформационные характеристики бетонов при одноосном кратковременном статическом сжатии и растяжении" (издательство "Стандарт", 1988 г.);
"Стандартная методика определения прочности и границ микротрещинообра-зования в бетоне методом структурно-имитационного моделирования1' (ВНИИФТРИ, 1988 г.);
"Методические указания по определению акустическими и тензометрнческими методами деформативных и структурных характеристик при одноосном кратковременном сжатии" (ЦНИИС. 1988 г.).
Результаты исследований практически реализованы при проектировании железобетонных зданий и сооружений, эксплуатируемых на юге Казахстана, в частности при разработке проектной документации 5-ти этажного жилого дома и диагностического центра в г. Кызылорде.
Результаты работы использованы при написании учебного пособия "Железобетонные конструкции", а также при чтении лекций и подготовке методических указаний по спецкурсу "Строительные конструкции" для аспирантов, дипломантов и студентов строительных специальностей.
Основные результаты диссертационной работы в составе экспоната "Математическая модель процесса деформирования и разрушения бетона" были представлены на ВДНХ СССР в 1987 г. и удостоены бронзовой медали.
Апробации работы и публикации. Основные материалы диссертации докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: МГОУ (б. ВЗПИ), КИИАП, КазХТИ, МИСИ, НИИЖБ, ВНИИФТРИ, ЦНИИС (1983-1995 гт.) на Всесоюзном координационном совещании и Республиканской научно-технической конференции "Влияние климатических условий и режимов нагружения на прочность конструкционных бетонов и элементов железобетонных конструкций" (Тбилиси, 1985); на Республиканской конференции "Архитектура и строительство -поиски решения (Алма-Ата, 1989); на Всесоюзной конференции "Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении" (Белгород, 1989); на конференции "Повышение эффективности сельского хозяйства на основе применения местных строительных материалов" (Севастополь, 1987); на Международной конференции "Повышение долговечности и эффективности работы конструкций зданий и сооружений" (Челябинск, 1992), на Международной конференции "Актуальные проблемы науки, технологии и производства" (Чимкент, 1993), на Международной конференции "Основные направления развития науки в бетоноведении" (Москва, 1995).
Основное содержание работы опубликовано в более, чем 40 научных статьях и 10 учебно-методических изданий.
Работа выполнена автором в период 1980-1995 гг. на кафедре "Строительные конструкции" в Кызылординском институте инженеров агропромышленного производства (КИИАП) и во время стажировки на должности старшего научного сотрудника в Московском государственном открытом университете (МГОУ) на кафедре "Строительные конструкции", руководимой академиком РИА доктором технических наук профессором Ю.В. Зайцевым.
Начальные этапы работы выполнялись в соответствии с тематическим планом на 1981-1985 гг. постоянной комиссии по строительству СЭВ по теме 5.7 "Физико-механические характеристики бетонов" и Координационным планом исследований НКС Госстроя СССР на 1986-1990 гг. по проблемам ползучести и усадки бетона и прикладным задачам теории железобетона, связанным с длительными процессами. Последующие этапы работы выполнялись в соответствии с Координационным планом Научного совета АН СССР по строительной технике и теории конструктивных форм по проблеме "Развитие теории расчета бетонных и армированных элементов с использованием методов механики разрушения применительно к прогаозированию показателей надежности и долговечности конструкций", а так же комплексной республиканской научно-технической программой Южно-Казахстанского отделения Национальной Академии наук Республики Казахстан на 1991-1995 гг.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов и содержит 212 страниц машинописного текста, 86 рисунков, библиографию из 199 наименований, приложение.