Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 7
1.1. Обзор экспериментальных исследований высокопрочных бетонов 8
1.2. Обзор исследований сталефибробетона 18
1.3. Общее описание явления ползучести бетона 27
1.4. Теории ползучести 31
1.5. Линейный вариант теории ползучести 34
1.6. Нелинейные варианты теории ползучести 37
1.7. Выводы по главе 1 50
2. Результаты экспериментальных исследований физико механических и реологических свойств высокопрочного порошкового сталефибробетона 52
2.1. Содержание эксперимента 52
2.2. Состав и свойства бетонной смеси 54
2.3. Методика экспериментальных исследований 55
2.4. Результаты испытаний 63
2.5. Выводы по главе 2 92
3. Теоретическая обработка результатов кратковременных испытаний 94
3.1. Призменная прочность и модуль упругости 94
3.2. Диаграмма деформирования бетона при сжатии 96
3.3. Выводы по главе 3 100
4. Теоретическая обработка результатов длительных испытаний 101
4.1. Деформации усадки 101
4.2. Деформации простой ползучести 105
4.3. Описание мер ползучести при разгрузке 128
4.4. Определение деформаций ползучести при ступенчато возрастающих режимах нагружения 132
4.5. Выводы по главе 4 136
Заключение 138
Список литературы
- Обзор исследований сталефибробетона
- Методика экспериментальных исследований
- Описание мер ползучести при разгрузке
- Определение деформаций ползучести при ступенчато возрастающих режимах нагружения
Обзор исследований сталефибробетона
Развивающийся во времени процесс ползучести после окончания нагружения образца протекает при постоянных напряжениях. В этот период времени деформации ползучести называют медленно натекающими деформациями ползучести. Такое разделение деформаций ползучести на быстро и медленно развивающиеся деформации не строго, так как скорость деформаций ползучести непрерывно меняется и начало процесса ползучести (в пределах 1 суток) также сопровождается относительно большими скоростями развития деформаций. В связи с этим деформации ползучести, возникающие в первые сутки после окончания нагружения, также относят к быстро натекающим. Такое разделение деформаций ползучести на отдельные составляющие, подчиняющиеся различным законам, очень удобно и используется в некоторых вариантах теории упруго-ползучего тела.
Через некоторое время после нагружения кривые ползучести становятся практически параллельны друг другу. В опытах О.Я.Берга и Ю.Н.Хромца [13], Н.И.Катина [42], О.Я.Берга и А.И.Рожкова [14] интервал времени, в течение которого устанавливается параллельность кривых ползучести, увеличивался с ростом уровня напряжений в образце. Некоторые авторы считают, что в этот момент происходит переход нелинейной ползучести в линейную. Это не является верным, так как линейность приращений деформаций не подразумевает установление линейной зависимости между постоянными напряжениями сжатия и непосредственно деформациями ползучести. Как видно на рисунке 1.4, начальная нелинейность деформаций ползучести продолжает сильно влиять на соотношение ординат кривых при разных уровнях напряжений и на всем последующем периоде наблюдения. Поэтому их параллельность спустя некоторое время после нагружения не исключает необходимости учета нелинейности деформаций ползучести, /0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 НО /20 /J0 возраст бетона о сутках к поменшу наблюдения
Влияние уровня напряжений на ползучесть бетона при сжатии (сплошная линия - экспериментальные кривые, пунктирная линия теоретические кривые по методике [6]) Деформации ползучести при разгрузке (деформации последействия) являются важным вопросом при изучении явления ползучести. Согласно принципу наложения воздействий, деформации образцов, возникающие на ступени нагрузки или разгрузки, считаются одинаковыми и равными деформациям образца-близнеца, загруженного впервые такой же ступенью нагрузки. Изучением этого вопроса занимались многие ученые [42, 82]. Обобщая результаты этих исследований, можно сказать, что при разгрузке образцов, находившихся ранее под длительным действием невысоких постоянных сжимающих или растягивающих напряжений, происходит лишь частичная обратимость деформаций ползучести, которая немного больше при разгрузке образцов после их сжатия. Доказано, что при сжатии степень необратимости деформаций ползучести образцов после разгрузки зависит от того, до какого уровня они предварительно были загружены [1, 2, 3, 5]. Чем этот уровень выше, тем степень необратимости больше. Принимая во внимание нелинейность деформаций ползучести и рост степени этой нелинейности с увеличением уровня напряжений, этот факт может являться косвенным доказательством линейности деформаций последействия или, по крайней мере, того, что степень их нелинейности значительно ниже, чем деформаций ползучести.
Таким образом, большой интерес представляют экспериментальные исследования относительных деформаций последействия бетонных образцов, разгруженных с разных (как низких, так и высоких) уровней напряжений, и соотношения деформаций ползучести и деформаций последействия в зависимости от уровня действующих напряжений.
Вопрос о поперечных деформациях бетона очень важен для теории ползучести, так как в ее основные уравнения входят и коэффициенты поперечной упруго-мгновенной деформации v,(?,r) и поперечной деформации ползучести v2(t,T) в общем случае объемного напряженного состояния наряду с другими физическими характеристиками материала. В опытах О.Я.Берга и его последователей [14-18] изучалось изменение коэффициента v2(f,r) в широком диапазоне напряжений. При этом выяснилось, что характер его изменения во времени неотъемлемо связан с изменениями структуры бетона под длительным действием нагрузки различной интенсивности. Опыты показали, что в зависимости от уровня напряжений у неизолированного бетона коэффициент v2(t,z) сначала возрастал, а затем снижался примерно до значения коэффициента Vj(r), причем некоторое снижение v2(t,r) во времени наблюдалось и при очень высоких напряжениях а = (0.82 - 0.9)і?пр [14]. В конце прошлого века особое распространение стали получать новые модицифицированные бетоны, получаемые с добавлением микрокремнезема и суперпластификаторов. Исследованием их длительных деформаций в нашей стране занимались в НИИЖБ и ЦНИИС.
В 1991 году в НИИЖБ С.С. Каприелов, М.Г Булгакова и Я.Л. Вихман изучали три состава бетона [38], содержащих пыль рукавных фильтров систем газоочистки печей. Исследовалось три состава: первый — традиционный, второй — с добавкой, но с обычным содержанием вяжущего, и третий — с добавкой и повышенным содержанием вяжущего. Класс бетона составил В45, подвижность смеси была 6...7 см, применялся цемент марки 400, песок с Мк=2, гранитный щебень фракций 5...20 мм. Бетон подвергался тепловлажностной обработке.
Проведённые эксперименты показали, что модуль упругости меньше нормативного на 14 - 36%, предельные деформации сжатия и растяжения выше, чем у традиционного бетона, а верхняя граница трещинообразования оказалась примерно равна 0,9Яьт.
Ползучесть нового бетона исследовалась на образцах, не изолированных от влагообмена, при уровне напряжения, равном 0,3Rbm.
Опыты показали, что с увеличением общего количества вяжущего (цемента и пыли рукавных фильтров) ползучесть возрастала, при этом у второго состава она была меньше (2,1x10"5 МПа"1) , чем у первого состава (2,63x10"5 МПа" ). Ползучесть третьего состава оказалась самой большой и равнялась 3,88x10" МПа"1. В ЦНИИС в 1998 году [64] проводилось изучение высокопрочного тяжелого бетона нового поколения, содержащего модификатор МБ-01. Изучалось два состава: - первый состав с 10% МБ; - второй состав с 15% МБ с добавлением воздухововлекающей добавки из нейтрализованной смолы (СНВ).
Кубиковая прочность обоих составов отличалась незначительно и составила 95 МПа для первого состава и 91,7 МПа для второго. Призменная прочность составила 78 МПа (1-й состав) и 80,3 МПа (2-й состав).
Образцы-призмы размером 7x7x28 см загружались нагрузкой, соответствующей напряжению 0.3І ГО- Относительная влажность окружающей среды в среднем была Г=48%. По результатам проведенных исследований, мера ползучести бетона 1-го состава оказалась 2,54x10"5 Мпа"1, у 2-го состава она была равна 2,57x10"5 Мпа"1. Оба этих значения меньше, чем у традиционных бетонов .
В 1999 году в НИИЖБ изучались механические свойства бетона, содержащие новый модификатор МБ10-01 [36, 37]. В состав модификатора входили суперпластификатор С-3 и микрокремнезём. Изучались свойства четырех составов бетона, которые отличались типом модификатора (МБ 10-01 для первого, третьего и четвертого составов и МБ 15-01 для второго состава). Количество модификатора составило 10% от общей массы. Третий состав бетона содержал воздухововлекающую добавку ГКЖ-94. Также составы отличались количеством введенной воды.
Методика экспериментальных исследований
Целью данного исследования является изучение физико-механических и реологических характеристик высокопрочного порошкового сталефибробетона. Была разработана программа испытаний, включающая в себя испытания кратковременной и длительной нагрузкой разного уровня, приложенной в различном возрасте.
Для получения основных физико-механических характеристик (кубиковая и призменная прочность на сжатие, модуль упругости, коэффициент Пуассона, прочность на растяжение и растяжение при изгибе) были проведены кратковременные испытания. Они включали в себя испытания на сжатие кубических и призменных образцов в возрасте 3, 7, 14, 28, 90 и 270 суток, испытания на осевое растяжение и растяжение при изгибе. Для исследования ползучести сталефибробетона была разработана программа испытания, представленная на рисунке 2.1. Согласно этой программе, в возрасте 7 и 14 суток образцы делились на 4 группы, первая из которых загружалась постоянной длительной нагрузкой, соответствующей уровням напряжений 0,3 и 0,6Rb (от призменной прочности, определенной при кратковременных испытаниях в соответствующем возрасте) и находилась под нагрузкой в течение 240 суток. Вторая группа образцов также загружалась до уровней 0,3 и 0,6 Rb, но в возрасте 14 и 28 суток догружалась до уровня, соответствующего 0,3 и 0,6 от призменной прочности в этом возрасте. Третья группа загружалась такими же уровнями нагрузки, но через 7 суток разгружалась. Четвертая группа предназначалась для измерения деформации усадки бетона. В возрасте 28 и 90 суток образцы делились на 3 группы. Первая группа загружалась постоянной длительной нагрузкой, соответствующей уровням напряжений 0,3 и 0,6Rb, которая не менялась на протяжении всего эксперимента, вторая группа также загружалась, но через 7 суток разгружалась. По образцам третьей группы измерялась усадка бетона. I группа
Для экспериментального исследования основных физико-химических и реологических свойств высокопрочного сталефибробетона в лаборатории № 16 НИИЖБ под руководством д.т.н. Каприелова С.С. была разработана технология получения высокопрочного порошкового сталефибробетона. В состав бетонной смеси входил цемент М500 ДО (г. Новороссийск), песок кварцевый фракций 0,1-0,63 мм (ГОК Мураев Рязанской области). Компоненты модификатора бетона МБЗ-50К: микрокремнезем МКУ-85 (г. Новокузнецк) 48,5%; зола-уноса кислая (г. Рефта) - 48,5%; суперпластификатор SIKA Visconcrete 5New-3, раствора 35%) концентрации (1,2% на сухое вещество); фибра волновая 0 0,3 мм, 1 = 15 мм, высокоуглеродистая сталь с временным сопротивлением 1200Н/мм Белорусского металлургического завода.
Состав и свойства бетонной смеси приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 - Состав и свойства бетонной смеси Фактический состав бетонной смеси, кг/м Плотность бетоннойсмеси,кг/м3 Расплывконуса,см В/Ц Цемент Модификатор МБЗ-50К Песок Стальная фибра Вода 850 350 830 180 180 2405 75 0,21 Всего было изготовлено 18 кубов размерами 7x7x7 см, 62 призмы размерами 7x7x28 см, 3 куба - 10x10x10 см и 7 призм - 10x10x40 см. Общий объем бетонной смеси составил 0,14 м .
Приготовленную сталефибробетонную смесь заливали в формы, выравнивали поверхность легким ручным уплотнением и накрывали полиэтиленовой пленкой. Бетонирование и хранение образцов в первые двое суток происходило при температуре 20С. Через двое суток образцы распалубливали и укладывали во влажные опилки в помещении с нормальной температурой 20±2С. 2.3. Методика экспериментальных исследований 2.3.1. Испытания на кратковременное сжатие
С целью изучения физико-механических свойств сталефибробетона в Лаборатории проблем прочности и качества в строительстве НИИСФ РААСН производились испытания на сжатие в возрасте 3, 7, 14, 28, 90 и 270 суток согласно [31]. Для этого были изготовлены образцы-кубы размерами 7x7x7 см и 10x10x10 см и образцы-призмы 7x7x28 см и 10x10x40 см, по 3 образца каждого возраста. Общее количество образцов, предназначенных для кратковременных испытаний, составило 46 шт. Перед испытаниями в каждом возрасте образцы вынимались из опилок и зачищались алмазным диском от торчащих фибр и неровностей верхнего слоя. На образцы-призмы приклеивались маяки и устанавливались рамки, на которые крепились приборы для измерения продольных и поперечных деформаций. Перед нагружением образцы центрировались по физической оси путем пробного нагружения до уровня напряжений -0,1 Rb. Нагружение образца происходило ступенчато, приложением по 10% от предполагаемой разрушающей нагрузки с 5-ти минутной выдержкой на каждой ступени и замером деформаций в начале и конце выдержки. Замер деформаций происходил до разрушения образца с фиксированием предельных значений деформаций сжатия. Для измерения деформаций применялись индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм.
На рисунках 2.2, 2.3 показаны образцы кубы и призмы перед испытанием. Рисунок 2.2 - Кратковременное испытание куба на сжатие
Для определения прочностных и деформативных характеристик сталефибробетона при осевом растяжении и растяжении при изгибе были изготовлены по 2 образца размером 10x10x40 см. В формы, предназначенные для бетонирования образцов на осевое растяжение, были предварительно установлены анкерующие стержни для передачи растягивающего усилия на образцы. Стержни 08 мм с предварительно нарезанной резьбой М8, для улучшения сцепления с бетоном, закреплялись в торцевых стенках формы. При этом их концы затачивались, и концы не находились в одной плоскости. Для этого два стержня заанкерованы на 90 мм, а два других - на 50 мм.
Перед испытаниями к торцам образцов-призм на эпоксидном клее приклеивались металлические оголовки, а выпуски стержней, проходящих через оголовки, прикручивались гайками.
Перед испытанием образцы на растяжение центрировались по физической оси с помощью подвижного сферического шарнира (рис. 2.4) по индикаторам часового типа с ценой деления 0.001 мм, установленных в рамках по четырем граням (рисунок 2.5). Режим нагружения применялся ступенчатый, с 5 минутной выдержкой на каждой ступени. Количество ступеней составляло 10-12.
Описание мер ползучести при разгрузке
Результаты испытаний приведены в таблице 2.3. На рисунках 2.23, 2.24 представлены диаграммы «а, - є,» при осевом растяжении и растяжении при изгибе.
Как известно, с увеличением класса бетона уменьшается отношение прочности бетона на растяжение к прочности бетона на сжатие. Так, например, это отношение составляет 6,4% для бетона класса В40, 5% для бетона класса В60 и 3,8% для бетона класса В120. В нашем случае для бетона класса В120 со стальной фиброй при испытании на растяжение образцов было получено Rt,t = 7 МПа, что соответствует отношению прочности бетона на растяжение к прочности бетона на сжатие 4,7%, то есть оно увеличилось на 25% по отношению к бетону без фибры.
Диаграмма «otf- %» растяжения при изгибе сталефибробетона При испытании образцов на осевое растяжение разрушение происходит приблизительно в том месте, где заканчивается анкеровка стержней, установленных для зацепления образца.
Особенно плавным был механизм деформирования и разрушения образцов при изгибе, где в момент разрушения относительные деформации на растянутой грани фибробетонных образцов более чем на порядок превышали аналогичные деформации при растяжении. Процесс разрушения призмы при изгибе напоминает механизм разрушения железобетонной балки, когда до раскрытия трещины арматура работает совместно с бетоном, а после образования трещины основную роль в восприятии растягивающих напряжений берет на себя арматура. Стоит отметить тот факт, что в балках возникала только одна трещина, и она развивалась в процессе нагружения. Характер разрушения образцов приведен на рисунках 2.25, 2.26.
Сравнение работы высокопрочного бетона и сталефибробетона при кратковременных испытаниях
Для оценки влияния стальной фибры на физико-механические свойства высокопрочного бетона были проведены испытания образцов из высокопрочного порошкового бетона. Состав бетона представлен в таблице 2.4. Таблица 2.4 - Состав высокопрочного порошкового бетона
Испытания проводились на образцах кубах размером 10x10x10 см и призмах размером 10x10x40 см. Различный характер разрушения образцов из высокопрочного бетона и сталефибробетона показан на рисунках 2.27-2.30. Рисунок 2.27 - Разрушение куба из высокопрочного порошкового бетона
Разрушение образцов из высокопрочного порошкового бетона без фибры взрывообразное, сопровождается разлетанием осколков и разделением на множество частей.
Разрушение кубического образца из сталефибробетона сложное, сопровождающееся появлением многочисленных трещин в различных направлениях и отслаиванием 1-2 мм поверхностного слоя, который повисает на фибре. Характер разрушения призменного образца близок к правильному, с образованием продольной трещины, расходящейся по углам сверху, и намечающимися диагональными трещинами снизу. Как видно, разрушение носит не взрывообразный характер, то есть стальная фибра за счет более высокого модуля упругости берет на себя часть напряжений и не допускает хрупкого разрушения. Благодаря волновой форме улучшается сцепление фибры с бетонной матрицей, что также повышает прочность на растяжение и трещиностойкость материала.
Как видно из представленного рисунка, линии диаграмм практически совпадают, что обусловлено практически одинаковыми значениями модуля упругости. Различаются только значения напряжений, при которых разрушились образцы и, как следствие, их относительные предельные деформации.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение стальной фибры в высокопрочном порошковом бетоне приводит к повышению прочности при сжатии, осевом растяжении и растяжении при изгибе. Наиболее существенно растет прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе (более 40% и 70% соответственно). Также стальная фибра в высокопрочном порошковом бетоне меняет характер разрушения с взрывообразного на вязкий. 2.4.4. Результаты длительных испытаний
По показаниям установленных приборов были вычислены средние относительные деформации усадки и ползучести для образцов каждого возраста при разных режимах загружения. Результаты представлены на рисунках 2.32 -2.44.
Определение деформаций ползучести при ступенчато возрастающих режимах нагружения
В работе [23] построение линейной меры ползучести старого бетона предлагается производить путем решения дифференциального уравнения: ДСо(Мо) С0(оо,О здесь: t0 - возраст бетона в момент нагружения, t - время нагружения, C0(co,t0)- предельное значение меры ползучести при t— оо; C0(t,t0) - текущее значение меры ползучести; AC0(t,t0) - относительная разность предельной и текущей мер ползучести (дефицит меры ползучести); а, т - эмпирические параметры (а 0, ее- размерный параметр (1/сут)). В работе [21] подход (4.3), (4.4) адаптирован к бетонам любого возраста Т, учтена нелинейная ползучесть в зависимости от уровня напряжений т], где
В результате указанных изменений зависимости (4.3), (4.4) заменены на зависимости вида: предельная мера простой ползучести бетона возраста г , С0(г],і,т) - текущая мера; С0(т],т,т) - начальный вертикальный отрезок меры 106 ползучести бетона; t =— - относительное время нагружения; а, т, s "Г безразмерные эмпирические коэффициенты. Дефицит меры ползучести Cu(Tj,t,z) (сокращенно ЛС0) изменяется от 1 до 0 при изменении относительного времени нагружения 7 от 1 до + со. где первое слагаемое учитывает упругие линейные деформации (условно упруго-мгновенные деформации), а второе слагаемое - нелинейные деформации. Полагаем, что вся часть нелинейных деформаций может быть отнесена к деформациям ползучести. Тогда уравнение (4.13) примет вид: - коэффициент изменения секущего модуля упругости.
При таком подходе происходит согласование между определением деформаций бетона при кратковременном и длительном нагружении.
Задача данного исследования состоит в определении, возможно ли применение существующего метода (4.10) для описания мер ползучести высокопрочного сталефибробетона.
Особый интерес представляют деформации, возникающие в образце во время загружения. В нашем случае оно происходило ступенчато, с приложением нагрузки, соответствующей уровню напряжений, равному 0.1 Rb, и выдержкой в течение 5 минут на каждой ступени. Аналогичная схема применялась и при разгрузке образцов.
Как известно, деформации делятся на упругие и пластические. К упругим относят деформации, набегающие в момент приложения нагрузки, пластические же возникают во время длительного действия нагрузки. В таблице 4.3 приведены значения полных продольных деформаций є0, возникающих при приложении нагрузки, соответствующей уровню напряжений, равному 0,3 и 0,6Rb. Из них выделены значения упругих деформаций єу и пластических деформаций е„ . Также даны значения упругого и упругопластического модулей упругости (ЕУі Еу+П), коэффициента изменения секущего модуля vb (4.16) и начального вертикального отрезка меры ползучести c0(t},r,T) (4.15). Особый интерес представляют начальные деформации при высоком уровне загрузки (0,6Rb). Как видно из представленных значений, пластические деформации образца при разгрузке в возрасте 14 суток (загруженного в 7 суток) больше деформаций при загрузке на 82%, вследствие чего секущий модуль меньше и больше начальная мера ползучести. В возрасте 21 суток, наоборот, пластические деформации, возникающие при разгрузке, меньше на 50%, чем при его загрузке. У образцов, загруженных в возрасте 28 суток и разгруженных в возрасте 35 суток, пластические деформации, возникающие при загрузке и разгрузке, примерно равны, следовательно, равны и их секущие модули и начальные отрезки меры ползучести бетона.
Упругие деформации во время разгрузки составляют 88,8%; 98%; 95% от упругих деформаций при загрузке в возрасте 7, 14 и 28 суток соответственно. В свою очередь, в зависимости от возраста как в процессе загрузки, так и разгрузки, они увеличиваются, причем разница в 7 и 14 суток небольшая (2 единицы), а по сравнению с образцом, загруженным в 28 суток, полные деформации больше на 15 условных единиц по сравнению с образцами, загруженными в 14 суток.
В самом начале загружения, при небольшом промежутке времени, на графиках, полученных в ходе испытаний, как будто происходит скачок деформаций вдоль оси ординат, но это не совсем так. Начальные (быстро натекающие) деформации ползучести действительно быстро возрастают, но не в один момент, а за время приложения нагрузки, на выдержках. На рисунках 4.5 -4.7 начальные кривые графиков показаны более подробно. 20
Как видно, при загрузке на первых двух ступенях приложения нагрузки деформации ползучести медленно возрастают, линия практически параллельна оси абсцисс, но с ростом напряжения пластические деформации быстро возрастают.
Экспериментальные графики /(т],т) , построенные для образцов, загруженных в различном возрасте, приведены на рисунках 4.21-4.24. На них видно, что функция /(т],т) колеблется вокруг постоянного значения примерно в первые 3-5 суток, а после приближается к постоянному (устойчивому) значению, различному в разном возрасте. Причем, в более старом возрасте эти колебания существеннее, чем в раннем.
При учете функции нелинейности в расчетах гораздо удобнее использовать 122 ее в виде, приближенном к линейному, даже на начальных участках. Для этого в работе [61] предлагается переписать формулу (4.22) следующим образом: С(/7, t.r) = ffo, т) С (t, т) + АС, (4.24) где АС - разность мер ползучести, которая возникает из-за сильной нелинейности деформаций ползучести в первые несколько суток после нагружения. Эта разность зависит от уровня напряжения и возраста бетона, в котором происходило загружение образцов. Значение АС подбирается по такому принципу, чтобы функция /(TJ,T) стремилась к постоянному значению для всех значений t, и расхождение ее с экспериментальными данными было минимально. Это показано на рисунках 4.21 - 4.24. Формула (4.23) примет вид:
