Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 5
1.1 Физическия теория прочности бетона 5
1.2 Причины разрушения бетонных конструкций при сжатии 8
1.3.Разрушение бетонных конструкций при сложном напряженном состоянии 15
1.4. Прочность конструкций при длительно действующей и многократно повторной нагрузках 18
Глава II. Напряжение в конструкциях от стесненной усадки бетона 23
2.1. Напряженное состояние от усадки, определяемое методами теории упругости 23
2.2. Напряженное состояние от усадки, определяемое с учетом длительных процессов 41
2.3. Влияние усадочных напряжений и трещиностойкость твердеющего бетона 51
Глава III. Влияние различных факторов на величину критериальных напряжений RTJ и RTV 55
.1 Зависимость напряжений микротрещинообразования от прочности бетона, способов его твердения, состава смеси и возраста в момент нагружения 55
3.2 Влияние формы поперечного сечения конструкций и характера напряженного состояния на уровень микротрещинообразования 66
3.3. Развитие микроразрушений в конструкциях под воздействием многократно повторной нагрузки 75
3.4 Развитие микроразрушений в конструкциях при воздействии длительно действующей нагрузки 86
Глава IV. Причины микротрещинообразования в конструкциях при их нагружении 100
4.1 Пористость цементного камня и влияние на нее некоторых факторов 100
4.2. Теоретическая оценка прочности бетона при разрушении пор 109
4.3.Методика экспериментальных исследований процесса образования и развития микроразрушений при статическом нагружении конструкций 115
4.4. Результаты экспериментальных исследований процессов микроразрушений и их оценка 119
Глава V. Надежность конструкций с учетом микроразрушений 126
5.1. Нормативные характеристики бетона 126
5.2. Влияние микроразрушений на коррозию бетона 128
VI.Bыводы 133
Список литературы
- Физическия теория прочности бетона
- Напряженное состояние от усадки, определяемое методами теории упругости
- Зависимость напряжений микротрещинообразования от прочности бетона, способов его твердения, состава смеси и возраста в момент нагружения
- Пористость цементного камня и влияние на нее некоторых факторов
Введение к работе
Железобетон на протяжении последнего столетия является одним из основных строительных материалов. Массовое применение этого материала привело к тому, что к настоящему времени достаточно полно изучены его прочностные свойства и их изменения во времени в результате воздействия различных факторов. Разработана технология изготовления конструкций и методы их расчета. Бетон в отличие от других строительных материалов активно формирует свои свойства в процессе эксплуатации конструкций. Причем происходящие изменения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на надежность зданий и сооружений. Без понимания физических процессы, вызывающих те или иные изменения свойств бетона во времени под воздействием силовых, а также иных факторов трудно достаточно аргументировано обеспечить заданный уровень надежности конструкций, создать наиболее благоприятные условия их возведения и эксплуатации.
Исследованиями, проведенными в конце прошедшего, начале этого столетия установлено, что существенное влияние на изменение прочностных и деформативных свойств бетона оказывают микроразрушения его структуры под воздействием силовых факторов. Установлено, что процесс микроразрушений начинается при напряжениях в бетоне на много меньших его предела прочности и может затухать или развиваться во времени. Однако причины, взывающие появление и развитие микроразрушений до настоящего времени в полной мере не исследовали. Поэтому изучение физических процессов, вызывающих развитие микроразрушений представляет как научный, так и практический интерес. Этим обстоятельством обоснована актуальность темы диссертационной работы.
Таким образом, целью выполняемых в рамках диссертации исследований является определение природы возникновения и развития микроразрушений структуры бетона и влияние их на различные прочностные свойства
материала. С этой целью изучаются существующие представления о процессах микроразрушений и определяется их обоснованность. Формируются новые объяснения природы микроразрушений и намечаются пути экспериментальной проверки выдвинутых положений. Изучается влияние пористости цементного камня на процесс образования и развития микроразрушений. Исследуется влияние микроразрушений на процессы коррозии напряженного бетона во времени.
Научную новизну выполненной работы составляет установленная зависимость между пористостью цементного камня и уровнем появления микроразрушений, связь между уровнем развития микроразрушений и скоростью коррозионных разрушений бетона.
Понимание происходящих в цементном камне процессов позволяет влиять на повышение его эксплуатационных качеств, в частности более правильным подбором состава бетонной смеси. Эти рекомендации, наряду с уточнением некоторых рас четных характеристик материала имеют практическое значение, поскольку позволяют повысить надежность железобетонных конструкций.
В заключение автор считает своей приятной обязанностью выразить благодарность сотрудникам кафедры Строительных конструкций МИКХиС, оказавшим ему помощь в проведении экспериментальных исследований и оформлении диссертации.
Физическия теория прочности бетона
Многочисленные работы, в которых исследуются вопросы прочности и деформативности бетона и железобетонных конструкций рассматривают бетон как однородный анизотропный материал с резко различными показателями прочности при сжатии и растяжении.
Теория расчета железобетонных конструкций является в настоящее время одним из наиболее разработанных разделов строительной науки. В современных математических моделях расчета учитываются реологические свойства бетона, его анизотропия, нелинейный характер, деформирования. Большой вклад в разработку современной теории железобетона внесли работы А.Ф. Лолейта, А.А.Гвоздева, В.И.Мурашова, В.А. Бондаренко, Н.И. Карпенко, А.С. Залесова, С.В.Александровского, Ю.П.Гущи, С.А.Дмитриева, С.М.Крылова, Р.Л.Серых, А.В.Забегаева, А.П.Васильева, Г.И.Бердичевского, Г.К. Хайдукова, В.В. Шугаева, В.Г. Назаренко, В.И. Римшина, М.В. Берлино-ва, В.Н. Бойцова и др.[2,18,19,20,21,22,29,38,40,44,45,48,53,58,60,61,74,77,89].
Однако в упомянутых исследованиях недостаточно учитываются деструктивные процессы, происходящие в бетоне под воздействием нагрузки.
Между тем в середине прошлого столетия было обнаружено, что при одноосном сжатии, по мере возрастания нагрузки объем образцов начинает увеличиваться, что противоречит законам деформирования сплошного тела [9,31,87,]. Основанием для такого заключения послужило изучение изменения коэффициента поперечной деформации и=еу/ех (здесь ех - относительная деформация по направлению действия сжимающей силы, еу - то же в перпендикулярном к оси действия силы направлении).
Обнаруженное явление послужило основанием для разработки Физических основ теории прочности бетона. Создателем этой теории был О.Я.Берг. Трудами этого ученого и основанной им научной школы было ус тановлено, что при некоторой величине сжатия в бетоне возникают микротрещины, ориентированные вдоль оси действия сжимающей нагрузки. Величина сжимающего напряжения, соответствующего началу микроразрушений получила название RT = f (RnP). Установлено, что в зависимости от прочности бетона величина RT может составлять 0,2-0,7 от призменной прочности R1Ip. В результате изучения поведения бетона при различных силовых воздействиях установлена связь между величиной RT, пределом выносливости бетона и его длительной прочностью. Большой вклад в развитие физических основ прочности бетона внесли работы Е.Н. Щербакова, Н.В. Смирнова, Г.Н. Писанко, Ю.В.Зайцева, О.Н. Алпериной, Ю.Н.Хромца, Б.В.Викторова, А.А. Ашрабова, Е.А. Гузеева, В.В. Деркина, К.Л. Ковлера, С.Н. Леоновича, Л.К. Лукши, В.А. Пахомова, А.Б. Пирадова, Д.М. Сухиева, В.И.Левченко и др [6,7,8,9,10, 11,12,13,14,15,16,17,42,44,64,65,83,85].
Обширные исследования позволили установить зависимость прочностных характеристик бетона от напряжения, определяющего начало микроразрушений.
Было высказано предположение, что причиной микроразрушений является вторичное поле напряжений, возникающее от действия сжимающей нагрузки в силу неоднородности бетона, который состоит из крупного и мелкого заполнителя, связанных между собой затвердевшим цементным камнем. Последний представляет собой сложную структуру, состоящую из твердого скелета, гелиевых образующих и пор, заполненных водой, воздухом или водяным паром.
Поскольку поле вторичных напряжений носит случайный характер, процесс разрушения бетона под нагрузкой предлагалось оценивать с позиций статистических теорий прочности [13,28,58]. Сопоставление различных силовых воздействий и их сочетания дали достаточно хорошее совпадение с результатами экспериментальных исследований [64]. Тем не менее, физическая природа вторичного поля напряжений в проведенных ранее исследованиях осталась без достаточного обоснования [87].
Помимо физической теории прочности бетона в середине прошлого столетия развивались и теории, основанные на положениях физики твердого тела, энергетических оценках разрушения и др. Правомерность того или иного подхода к оценке прочности бетона может быть оценена лишь сопоставлением теоретических данных с соответствующими результатами экспериментов. Однако интенсивно проводившиеся в 50-80 годы прошлого столетия исследования в начале 90-ых годов практически прекратились.
Одни из последних экспериментов, касающиеся определения значений критериальных характеристик бетона, соответствующих началу и развитию микроразрушений были проведены в начале 90-х годов прошлого столетия [83]. В этой работе было испытано значительное количество бетонных призм естественного твердения на центральное и внецентренное сжатие. Изучение результатов эксперимента показало отличие в ряде случаев от полученных ранее данных. Так, для некоторых образцов значения напряжений, соответствующих началу микроразрушений лишь незначительно отличалось от предела прочности материала. Нужно отметить, что и в некоторых опытах ЦНИИС встречались аномальные результаты, когда граница микроразрушений не увеличивалась с ростом прочности материала, а наоборот, уменьшалась. Подобные аномальные явления, как правило, отмечались в бетонах, для приготовления которых использовались новые виды цемента. Отмеченные выше отклонения от стабильных экспериментальных данных не нашли соответствующего обоснования. Не исследованными остались и некоторые другие факторы. Так, не выяснено влияние условий твердения бетона на процесс микроразрушений. Нет достаточного количества экспериментов для оценки процессов микроразрушений в растворах. Между тем при широком использовании сборного железобетона раствор, используемый для замоноличивания стыков, требует серьезного внимания. Остались неисследованными бетоны, в которых применялись специальные виды цементов, например ОБТЦ и др. Все перечисленные вопросы для своего разрешения требуют проведения экспериментальных исследований с целью накопления необходимого объема данных, статистическая обработка которых позволит получить достаточно надежные результаты и убедиться в правомерности высказанных теоретических положений.
Частично ответы на поставленные вопросы можно найти в исследованиях, выполненных в МИКХиС [64,73,82]. Был выполнен большой объем экспериментальных исследований. Изучалось поведение образцов-призм на центральное сжатие при статическом, многократно-повторном и длительном напряжениях. На изгиб испытывались балки при статическом и многократно-повторном загружениях.
Полученные экспериментальные данные близко совпали с результатами ранее выполненных исследований, однако, причины возникновения вторичного поля напряжений, приводящего к микроразрушениям, вскрыты не были.
Целью настоящей работы является найти причины, приводящие к микроразрушениям бетона в процессе его нагружения и экспериментально подтвердить правомерность высказанных положений.
Напряженное состояние от усадки, определяемое методами теории упругости
Методами теории упругости, как известно, решают сложнейшие задачи оценки напряженного состояния. Однако значение таких решений, рассматриваемых применительно к бетону и железобетону в качестве упруго-мгновенных, в значительной степени уменьшается из-за непостоянства во времени физических констант бетона. Поэтому методами теории упругости может быть получена лишь общая качественная характеристика напряженного состояния от усадки целого комплекса.
Отыскание напряжений, вызванных объемной деформацией бетона, весьма затруднительно. Вследствие этого приводимые в ряде работ решения либо слишком схематизированы, либо отличаются большой сложностью, несмотря на то, что все они относятся к простейшему частному случаю, когда круглый сердечник забетонирован по центру цилиндра конечного или бесконечного диаметра.
Приводимые ниже данные решений теории упругости, для круглых сечений, необходимы для установления общих закономерностей явления и возможности распространения их на реальные конструкции, форма поперечных сечений которых отличается от круглой. Поскольку точное решение в последнем случае фактически не представляется возможным, целесообразно выработать некоторый общий метод приближенного решения такого рода задач. Наиболее приемлемо в данном случае раздельное рассмотрение продольной и поперечной составляющих усадки и вычисление возникающих при этом напряжений независимо друг от друга.
Считая, что в «длинном» железобетонном цилиндре диаметром 2Ь с центрально расположенным сердечником диаметром 2р (рис.2.1) поперечные сечения, достаточно удаленные от торцов, в процессе равномерной и одина ковой во всех точках тела объемной усадки остаются плоскими, можно рассматривать вместо цилиндра круглую пластинку того же диаметра толщиной, равной 1. Кроме того, предполагается, что напряжение по площадкам, параллельным оси цилиндра, возникают только от плоской усадки, протекающей в поперечном направлении.
Выражения для величины растягивающих напряжений с в любой точке бетонного кольца получается в общем виде путем решения плоской задачи теории упругости, которое приводит к дифференциальному уравнению, аналогичному уравнению Ляме для толстостенных сосудов:
d2u l_ d __} __() (7 1 dr2 Т dr г2 Три произвольные постоянные интеграла этого уравнения определяются из трех граничных условий (равенство радиальных напряжений и перемещения цементного камня и сердечника по контуру их контактов, а также равенство 0 радиальных напряжений по внешнему контуру кольца). Тогда величина максимальных растягивающих напряжений в бетоне тахап в точках 1 по контуру сердечника (рис.2.1) может быть получена из указанного общего выражения в виде таха0 = ЧК (2.2) (l-vj + n(jun + vj где: jUn = —f-j здесь p=p/b 1 - безразмерная характеристика толщины стенок бетонного кольца; V6 и va - коэффициенты Пуассона соответственно для цементного камня и сердечника; а -относительная величина "свободной" линейной усадки, принятая одинаковой во всех направлениях; Eg - модуль деформаций бетона. rj =Еа/ Е5 здесь Еа - модуль упругости сердечника.
Величина п цп имеет тот же смысл, что и nju (здесь JI =FK/F,t, FK и FI( -площади поперечного сечения соответственно сердечника и цементного камня), и является приведенной величиной, характеризующей соотношение сердечника и бетона с учетом неравномерности распределения напряжений по сечениям последнего. Величина р изменяется в интервале 0,2 - 0,5.
Кроме, рассматриваемых напряжений в бетоне действуют радиально направленные снижающие напряжения стт, достигающие значительной величины у контура сердечника и падающие до нуля на наружной поверхности кольца.
Выражение (2.2) дает достаточно полную картину влияния различных факторов на величину напряжений. Оно показывает, что напряжение зависит не только от величины усадки и модуля деформаций бетона, но также от жесткости сердечника и относительной толщины бетонной оболочки.
Для оценки погрешности, даваемой формулой (2.2), было проведено сравнение этой формулы с решением Гленвиля [96], которое является наиболее полным и точным, так как учитывает совместное действие как продольной, так и поперечной составляющей усадки. Для удобства сопоставления выражение, полученное Гленвилем, приведено к виду aEmjnn _л тахстй — (2.3) [(l-va) + n(vn+ve)]-X(va+nMYj где: X = а« = (1 + У +Щ1 + max ах (1 + va) + п/л (1 + va) аа - продольное напряжение в сердечнике.
При этом характер распределения напряжений ст по сечению остается таким же, как и в плоской задаче.
Запись выражения для тахста в форме (2.3) и сравнение его с формулой (2.2) дает возможность установить, влияние продольной составляющей усадки на величину напряжений определяющихся вторым членом в знаменателе. Величины напряжений, вычисленные по формуле (2.2), ниже значений, по лученных с учетом объемного характера усадки по формуле (2.3) примерно на 19-22% в интервале р= 0,2-0,5.
Влияние продольной составляющей деформаций усадки на величину напряжений связано по своему характеру с дополнительными радиальными перемещениями поверхности сердечника и внутренней поверхности бетонного кольца друг относительно друга. Радиальные изменения поверхности сердечника по своему воздействию эквиваленты некоторому кажущемуся повышению его радиальной жесткости и формально можно связать с ними повышение напряжений зп в объемной задаче. Для сплошного сердечника, например, можно принять эти перемещения поверхности сердечника в плоской задаче равными нулю (абсолютно жесткий сердечник), что, в общем, близко к действительному деформативному состоянию сердечника в процессе равномерной объемной усадки бетона.
Зависимость напряжений микротрещинообразования от прочности бетона, способов его твердения, состава смеси и возраста в момент нагружения
В подавляющем большинстве исследований изучение микротрещинообразования проводилось на образцах-призмах сечением 15x15 см и высотой 60 см. Определение начала микроразрушений в ранних опытах (ЦНИИС) проводилось тензометрическим способом по графикам у=/( R). Позднее тен-зометрические изменения дублировались ультразвуковым методом. Прозву-чивание осуществлялось относительно линии приложения нагрузки направлении. Моменту начала микроразрушений соответствовало напряжение, превышения которого приводило к падению скорости ультразвука. Сопоставление результатов тензометрических и ультразвуковых измерений показало практически полное их совпадение.
Изначально все исследования проводились на обычных, по составу бетонах естественного твердения. Химический и минералогический составы цемента не фиксировались.
Результаты испытаний, выполненных в ЦНИИС в 1956-86г.г. представлены на графике рис. 3.1, где в полулогорифмическом масштабе показана зависимость (R/Rnp) = /(Rnp). Из графика следует, что с повышением класса бетона увеличивается и отношение R / R„p. Повышение границы микроразрушений достаточно заметное, так изменение класса бетона с 20 до 80 приводит к повышению R/ RIip в два раза (с 0,25 до 0,5).
Наблюдается большой разброс значений R/ RIip для бетонов одной прочности. Так, при Rr[p = 30, 0 МПа отношение R"/ Rnp колеблется в пределах 0,3-0,6, а для Rlip = 50 МПа оно находится в пределах 0,4-0,75. Отмеченный разброс по-видимому свидетельствует о том, что на процесс микротре-щинообразования влияет не только прочность бетона, но и другие, не вскрытые в опытах ЦНИИС факторы.
Обобщение результатов выполненных в ЦНИИС исследований позволили их авторам предложить аппроксимацию зависимости между призмен ной прочностью и напряжениями R и R в следующем виде: (R / Rnp) min = 0,350 lg Rlip - 0,550 (3.1) (R;/ RIIP) min = 0,275 IgR„p-0,125 (3.2) Указанные зависимости соответствуют размерности напряжений в кг/см . Переход на размерность МПа требует корректировки ранее полученных формул. В современной размерности формулы (3.1) и (3.2) перепишутся следующим образом: (R?/ Rnp) min = 0,350 lg RIIp - 0,200 (3.3) (R;/RIip) min = 0,275 lg R -0,150 (3.4) Аналогичные зависимости в обычной системе координат будут иметь вид: RUR„p = 0,007 Rnp + 8,9/R„p-75,5/R;....(3.5) RTV/Rlip = 0,008 Rnp + 18,1/Rnp- 163,7/R;....(3.6)
В конце прошлого и начале этого столетия интерес к «физической» теории прочности бетона возродился. Большая серия опытов была выполнена в МИКХиС [64,82].
Целью испытаний на центральное сжатие являлось определение начала микроразрушений Rt и напряжений R для образцов естественного твердения, пропаренных и из песчаного бетона. Кроме того, изучалось влияние на процесс микроразрушений возраста бетона в момент загружения.
Полученные в результате испытаний данные приведены в табл. 3.1, 3.2 и 3.3. Для сопоставления результатов испытаний они представлены графически на рис. 3.2 и 3.3. Из графиков следует, что возраст образцов в момент испытаний не влияет на относительную величину R и R". Вто же время эти напряжения для пропаренного бетона ниже, чем для бетонов естественного твердения. Для образцов из песчаного бетона уровень напряжений R" и R выше, чем для образцов естественного твердения.
Обращает на себя внимание незначительный разброс экспериментальных данных. Это объясняется, по-видимому, использованием для всех образцов одинаковых материалов - цемента и заполнителей. Необходимые прочностные показатели достигались соответствующим подбором состава бетона.
Экспериментальное подтверждение некоторых из приведенных выше данных было получено в исследованиях Атомпроекта, проведенных в начале нашего столетия. Испытывались на сжатие призмы размером 10x10x40 см. Образцы имели разную прочность и отличались возрастом в момент испытаний. Полученные в результате испытаний величины Rnp, R и R r приведены в таблице 3.4.
Из приведенных материалов следует, что возраст бетона в момент испытаний не влияет на R, а относительная величина этого напряжения хорошо согласуется со значениями, определенными по формуле (3.3).
В заключение следует отметить, что полученные экспериментальные данные в определенной мере согласуются с положениями предложенной концепции разрушения бетона. Так, наличие термо-влажностной обработки увеличивает усадку бетона, что приводит к более раннему появлению микротрещин. Отсутствие крупного заполнителя снижает неоднородность вторичного поля напряжений, что повышает уровень напряжений, соответствующий началу микроразрушений.
Пористость цементного камня и влияние на нее некоторых факторов
Поскольку очагом микротрещинообразования является цементный камень, напряжения, вызывающие микротрещины связаны с его неоднородностью. Вероятнее всего, что эта неоднородность вызывается наличием пор разного размера и направления. Поэтому изучение данных о пористости бетонов и причин их вызывающих представляет определенный интерес для понимания и объяснения микроразрушений. Здесь нужно отметить, что прямых экспериментальных данных, позволяющих установить связь между пористостью и величиной напряжения Rt нет. Поэтому постараемся установить логическую связь между этими явлениями, используя косвенные зависимости.
Главной особенностью цементного камня является его капилярнопори-стая структура, внутренняя его поверхность которого (поверхность пор) во много раз превышает поверхность бетона в сооружении [47]. Общий объем пор в цементном камне даже плотных бетонов составляет 20-30% объема самого камня.
Высокая пористость определяет возможность миграции воды в структуре бетона, а вместе с водой мигрируют растворенные соли, газы и другие вещества. Изменение степени заполнения пор водой существенно отражается не только на монолитности конструкции (усадки, набухании) но и на ходе процессов, требующих присутствия воды (длительной гидратации минералов цементного камня, карбонизация углекислотой воздуха и др.). Изменение влажности цементного камня в бетоне обуславливает так же перекристаллизацию минералов, взаимодействие их с гипсом и другими солями, введенными в бетонную смесь при затворении или проникшими в конструкцию в процессе эксплуатации.
Поэтому исследования структуры цементного камня выполнились преимущественно для установления потери им технических свойств и оценки долговечности конструкции в различных условиях [3,6,39,46,47,51,71,95].
Все поры в цементном камне обычно разделяют натри группы: 1- поры геля размером до 50 А; 2 - переходные поры - от 50 до 1 х 10 А и 3 - фильтрующие - более 1 х 104 А (рис. 4.1).
Проведенными экспериментальными исследованиями было установлено, что на общую пористость цементных растворов влияет влажность среды, в которой твердеет цементный камень, содержание воды в цементных растворах различного состава, добавки гипса и пластифицирующих веществ, тонкость помола и способ измельчения цементного клинкера. Только при водном хранении наблюдается эффективное уплотнение цементного камня и образование тонкопористой структуры. При уменьшении относительной влажности воздуха в период твердения пористость увеличивается во все сроки твердения.
Кривые распределения пор цементного камня характеризуются двумя максимумами, лежащими в области более мелких (250 - 300 А) и более крупных (1 х 10 - 1 х 10 А) пор. Первый максимум относится к порам в кристаллизационной структуре новообразований; он определяется исходной дисперсностью цемента и продолжительностью твердения камня. Второй максимум характеризует капиллярные поры цементного камня и зависит от условий твердения, дисперсности цемента, водоцементного отношения В/Ц и др.
Количественную оценку влияния условий твердения на пористость раствора можно получить из результатов опыта, проведенного в ЦНИИС Минтрансстроя в 1970-75 гг. [46,47]. В этих опытах пористость получали, изменяя соотношение между песком и цементом при одинаковых условиях уплотнения. Состав растворов приведен в табл. 4.1 Образцы были изготовлены на портландцементе Брянского цементного завода. Минералогический состав и тонкость помола цемента приведены в табл. 4.2. 5
Изменение общей пористости П0бщ растворов разного состава (рис.4.2) происходит, прежде всего, вследствие более плотного заполнения цементным камнем пустот между зернами песка, что четко видно из сопоставления данных по образцам из раствора 1:3,5 (37% цементного камня в объеме раствора) и состава 1:1,8 (47% цементного камня). В первом случае цементного камня недостаточно для заполнения пустот между зернами песка, и общая пористость составляется из объемов пористости самого цементного камня и пор, образовавшихся из-за недостаточного количества цементного теста.
