Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1. Систематизация представлений о закономерностях длительного деформирования бетонных элементов и анализ существующих теорий ползучести 10
1.2. Анализ основных гипотез и аналитических зависимостей теории ползучести применительно к легким и ячеистым бетонам 16
1.3 Разработка концепции и обоснование содержания экспериментальных исследований сопротивления сжатых элементов из поризованного бетона 39
2 Содержание и методика экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния сжатых элементов из поризованного бетона 46
2.1 Программа экспериментальных исследований 46
2.2 Характеристика составов бетона и методика изготовления опытных элементов 51
2.3 Методика исследования прочности и деформативности сжатых элементов из поризованного бетона 54
2.3.1 Методика кратковременных испытаний 54
2.3.2 Методика длительных испытаний 57
2.4 Методика статистической обработки результатов испытания призм и кубов 63
3 Экспериментальные исследования прочности, деформативности и трещиностойкости сжатых элементов из поризованного бетона при кратковременном действии нагрузки 65
3.1 Результаты исследования физико-механических характеристик поризованного бетона в сжатых элементах с учетом его средней плотности и вида структуры 65
3.2 Деформации, структурные изменения и характер разрушения опытных элементов при осевом сжатии 74
3.3 Изменение механических свойств поризованного бетона во времени 83
3.4 Предложения к нормированию прочностных и деформативных характеристик поризованного бетона с учетом их статистического распределения 88
4 Экспериментальные исследования ползучести, усадки и длительного сопротивления сжатых элементов из поризованного бетона 92
4.1 Закономерности ползучести сжатых элементов из поризованных бетонов различных структурных модификаций 92
4.1.1 Процессы ползучести и усадки в условиях действия постоянной нагрузки одинакового уровня 92
4.1.2 Влияние уровня постоянных напряжений сжатия на деформации ползучести 98
4.2 Закономерности упругого последействия поризованного бетона при полной разгрузке опытных элементов с разных уровней напряжений сжатия 108
4.3 Процессы ползучести и упругого последействия сжатых элементов из поризованного бетона, твердевшего в течение 15
лет в естественных физико-климатических условиях 115
4.4 Определение предельных деформаций ползучести и упругого последействия цементного поризованного бетона 117
4.5 Влияние предшествующего длительного нагружения сжатых элементов из поризованного бетона на их механические характеристики 129
4.6 Результаты исследования длительной прочности сжатых элементов из поризованного бетона 133
4.7 Выводы 136
5 Интерпретация результатов длительных испытаний сжатых элементов из поризованного бетона и предложения к нормированию 139
5.1 Идентификация аналитических зависимостей прочности, модуля упругости и усадки от времени, применительно к поризованному бетону 139
5.2 Интерпретация кривых ползучести и упругого последействия сжатых элементов из поризованного бетона с позиций теории упруго-ползучего тела 142
5.3 Исследование релаксации напряжений в сжатых элементах из поризованного бетона численным методом 150
5.4 Интерпретация длительного сопротивления сжатых элементов из поризованного бетона с позиций механики разрушения 153
5.5 Предложения к нормированию расчетных характеристик поризованного бетона с учетом длительного действия нагрузки.. 159
5.6 Рекомендации по расчету несущей способности бетонных элементов на воздействие усилий сжатия 164
5.7 Примеры расчета сжатых конструкций из поризованного бетона. 165
5.8 Технико-экономическая эффективность применения поризованного бетона в монолитных конструкциях малоэтажных зданий 168
Основные выводы 174
Список использованных источников 177
Приложение
- Анализ основных гипотез и аналитических зависимостей теории ползучести применительно к легким и ячеистым бетонам
- Характеристика составов бетона и методика изготовления опытных элементов
- Деформации, структурные изменения и характер разрушения опытных элементов при осевом сжатии
- Закономерности упругого последействия поризованного бетона при полной разгрузке опытных элементов с разных уровней напряжений сжатия
Введение к работе
Актуальность работы. Условием реализации выдвигаемой сегодня концепции теплоэффективного жилого дома является комплексное применение конструкций из материалов нового поколения.
Эффективность и конкурентоспособность строительных конструкций, материалов и технологий оценивается на основе критериев ресурсо- и энергосбережения, а также соответствия их новому стандарту жилья. К параметрам такого стандарта, определяющих, в конечном итоге, комфортность жилья, следует отнести не только размер удельной жилой площади на человека и тип планировочных решений, но и экономичность жилья в самом широком понимании, долговременную сохранность его функциональных характеристик, микроклимат помещений (в том числе с учетом фактора сезонности), зависящий от теплоэффективности здания.
Для жилого дома нового поколения, его ограждающих и несущих элементов, таким образом, необходимы материалы и конструкции, которые со своими «уточненными» функциями должны быть, во-первых, адаптированы к новым архитектурно-строительным и конструктивным системам зданий по своим конструкционным и теплофизическим свойствам. Во-вторых, важно подчеркнуть, что в качестве критериев эффективности материалов должны приниматься не только их улучшенные качественные характеристики, но и простота технологических решений, невысокий уровень производственных затрат при изготовлении строительных изделий и конструкций. Это является необходимым условием снижения стоимости жилья.
Перспективным направлением в жилищном и гражданском строительстве в нашей стране стало широкое применение технологий монолитного возведения зданий. При этом актуальным представляется внедрение новых технологических решений, способных обеспечить высокий уровень индустриальности монолитного и (или) сборно-монолитного строительства и одновременно с этим существенное упрощение его инфраструктуры. В значительной мере ключевым здесь оказывается вопрос монолитного конструкционного и конструкционно-теплоизоляционного материала, который должен отвечать критериям не только функциональности, но также высокой технологичности, малой ресурсоемкости, необходимой долговечности. В жилищном строительстве перспективным представляется использование макропористого бетона — поризованного бетона, получаемого воздухововлечением при перемешивании в присутствии высокоэффективных поверхностно-активных добавок. Эффективность его применения, особенно в малоэтажном строительстве, определяется возможностью получения поризованного бетона в широком диапазоне средней плотности на одном и том же сырье и оборудовании, возведением с его использованием конструкций различного функционального назначения [108, 173, 176-177]. Именно поэтому, поризованный бетон конструкционного назначения может рассматриваться в строительстве как альтернатива легким бетонам на пористых заполнителях. Однако, отсутствие необходимой для нормирования и расчета конструкций информации о значениях физико-механических характеристик, особенно связанных с длительным воздействием механической нагрузки, является препятствием для широкого внедрения данных бетонов в строительную практику.
В связи с указанным, актуальным представляется исследование сопротивления сжатых элементов конструкций из поризованного бетона при кратковременных и длительных силовых воздействиях; системное рассмотрение вопросов ползучести, последействия, усадки, релаксации напряжений, длительной прочности, границ трещинообразования и др. Такие исследования являются необходимым условием для разработки научно-обоснованных рекомендаций по нормированию расчетных характеристик поризованного бетона и расчету конструкций, а также основой для развития дальнейших исследований сопротивления конструкций при неоднородном напряженном состоянии (внецентренном сжатии, изгибе и др.). Это позволит рационально проектировать новые типы несущих и ограждающих конструкций из поризованного бетона, и как следствие, приведет к повышению технического уровня монолитного малоэтажного строительства.
С изучением обозначенных актуальных вопросов связаны цель, задачи и содержание исследований.
Диссертационная работа выполнялась в рамках Межотраслевой программы сотрудничества Минобразования и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (2004 г.); по плановому заданию Федерального агенства по образованию «Развитие теории системно-структурного материаловедения и высоких технологий строительных композитов нового поколения» (2005-2007 г.г); по программе фундаментальных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие строительного материаловедения, технологии и нанотехнологии. Новые высокопрочные, сверхпрочные, легкие, сверхлегкие и долговечные строительные композиционные материалы» (2007-2009 г.г.).
Объектом исследования являются центрально сжатые элементы- монолитных конструкций из поризованного мелко- и микрозернистого цементного бетона нового* поколения средней плотностью 1200-1600 кг/м .
Предмет исследования: изучение прочностных и деформативных свойств центрально сжатых элементов несущих конструкций из поризованного бетона.
Целью работы является экспериментально-теоретическое обоснование возможности использования, поризованного бетона всжатых несущих конструкциях зданий с учетом закономерностей его ползучести при однородном напряженном
СОСТОЯНИИ1.
В соответствии с поставленной целью сформулированы* следующие задачи исследования:.
1. Обосновать подходы- к изучению физико-механических характеристик поризованного бетона естественного- твердения при длительном' нагружении, обеспечивающие получение комплексных достоверных данных, необходимых для расчета строительных конструкций.
Экспериментально изучить закономерности силового сопротивления- и деформирования, сжатых элементов > из поризованных бетонов различных структурных модификаций при. кратковременных и длительных воздействиях нагрузки-.
Исследовать влияние величины длительной постоянной* нагрузки, продолжительности, ее действия и возраста бетона к началу испытаний на прочность и деформативность. сжатых элементов^ из поризованного бетона с учетом его средней плотности и вида структуры.
Исследовать степень обратимости'деформаций ползучести с учетом-принципа наложения4 воздействий'при полной .разгрузке элементов, из поризованного бетона, длительно находившихся под действием напряжений сжатия различной интенсивности.
Обосновать аналитические'выражения, и получить количественные параметры, для аппроксимации меры ползучести в области линейного и нелинейного ' деформирования, упругого последействия, релаксации напряжений и длительного сопротивления поризованного бетона, а также изменения его механических свойств во времени.
6. Обосновать предложения к нормированию расчетных прочностных и деформативных характеристик конструкционных поризованных бетонов различных структурных модификаций с учетом влияния ползучести и предложения к методике расчета сжатых элементов на их основе. Научная новизна «работы.
На основании комплексных экспериментальных исследований, получены новые данные т> деформациям ползучести, упругому последействию, длительной прочности и эффекту предшествующего нагружения сжатых элементов из поризованного бетона естественного твердения в зависимости от величины длительной ^нагрузки и с учетом средней» плотности, бетона различной структуры.
Для сжатых элементов из поризованного бетона при* широком диапазоне варьирования постоянных напряжений, установлена граница перехода от практически линейной к существенно нелинейной области ползучести и количественно охарактеризована ее связь с плотностью бетона различной структуры.
Показано, что для сжатых элементов из поризованного бетона, реализация» принципа наложения воздействий характеризуется величиной необратимых деформаций ползучести, зависящей от уровня* напряжений, вида бетона и его возраста к началу испытаний.
Применительно к поризованному бетону, установлены количественные параметры для аналитических выражений, адекватно- описывающих процессы ползучести в> области линейного и нелинейного деформирования, упругого» последействия и длительного сопротивления, а также изменения его механических свойств во времени. На> основе численного метода расчета, предложены коэффициенты релаксации напряжений в сжатых элементах из поризованного бетона при действии постоянной вынужденной деформации*.
Для конструкционного мелко- и микрозернистого поризованного бетона средней плотности 1200-1600 кг/м обоснованы предложения по значениям нормируемых характеристик прочности и деформативности с учетом их статистического распределения и длительного действияшагрузки.
Практическое значение работы заключается^ в разработке предложений к нормированию' прочностных и деформативных характеристик и расчету сжатых элементов из поризованного бетона, позволяющих решать задачи проектирования несущих конструкций из данного бетона и расширить область его применения в. строительстве малоэтажных зданий.
Внедрение результатов. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по учету напряженно-деформированного состояния сжатых элементов из поризованного бетона в расчетах конструкций для. ФГУП «Центральное проектное объединение» и ООО «Инженерпроект»; возведении наружных и внутренних стен ряда строительных объектов в г. Воронеже; подготовке инженеров-архитекторов по . специальности 291400 «Проектирование зданий» и магистров по направлению 270100 «Строительство» в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.
Достоверность полученных результатов и выводов?содержащихся в работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений и сопоставлением данных, полученных разными методами; применением вероятностно-статистических методов обработки результатов экспериментов. Достоверность теоретических решений проверялась их сравнением с экспериментальными результатами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных академических чтениях РААСН «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, 2006); академических чтениях «Современные проблемы механики строительных конструкций» международного конгресса «Наука и инновации в строительстве» (Воронеж, 2008); ежегодных научно-технических конференциях ВГАСУ (Воронеж, 2005-2010 г.г.).
Публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в семи печатных работах, из них три статьи в изданиях, входящих в рекомендованный ВАК перечень.
На защиту выносятся:
Теоретические предпосылки и подходы к изучению физико-механических характеристик поризованного бетона при длительном нагружении, обеспечивающие получение комплексных достоверных данных, необходимых для расчета строительных конструкций.
Результаты экспериментальных исследований закономерностей силового сопротивления и деформирования сжатых элементов из, поризованных бетонов различных модификаций при кратковременных и длительных воздействиях нагрузки.
Результаты исследования и данные о влиянии величины длительной постоянной нагрузки, продолжительности ее действия и возраста бетона к началу испытаний на прочность и деформативность сжатых элементов из поризованного бетона с учетом его средней плотности и структуры.
Результаты исследования степени обратимости деформаций ползучести с учетом принципа наложения воздействий при полных разгрузках элементов из поризованного бетона с разных уровней длительных напряжений сжатия.
Предложения по аналитическому описанию меры ползучести в области линейного и нелинейного деформирования, упругого последействия и длительного сопротивления поризованного бетона, а также изменения его механических свойств во времени. Результаты численных исследований релаксации напряжений в бетонных элементах.
Предложения к нормированию расчетных прочностных и деформативных характеристик конструкционных поризованных бетонов различных структурных модификаций с учетом влияния ползучести и расчету сжатых элементов на их основе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, изложена на 215 страницах, в том числе 142 страницах машинописного текста, 30 таблиц, 60 рисунков, списка литературы из 198 наименований, 3 приложений.
Автор выражает глубокую благодарность академику РААСН, докт. техн. наук, проф. Е.М. Чернышову за оказанную консультативную помощь при выполнении диссертационной работы, а также канд. техн. наук, проф. А.Е. Грошеву за техническую помощь в подготовке и проведении экспериментов.
Анализ основных гипотез и аналитических зависимостей теории ползучести применительно к легким и ячеистым бетонам
Классификация, применяющихся на сегодняшний день легких бетонов предусматривает две их основные разновидности: легкие бетоны на пористых заполнителях и ячеистые бетоны. Ячеистые бетоны при этом подразделяются: по способу образования пор (пенобетоны, газобетоны, аэробетоны, поризованные бетоны); по виду вяжущего (цементные, силикатные, на смешанных вяжущих); по условиям твердения (автоклавные и неавтоклавные - твердеющие1 в естественных условиях, при электропрогреве или в. среде насыщенного пара при атмосферном давлении); по применению (от теплоизоляционных до конструкционных). Пенобетоны, газобетоны, аэрированные и поризованные бетоны таюке можно определить как легкие макропористые бетоны. Следовательно, цементный поризованный бетон нового поколения, элементы монолитных конструкций из которого приняты в качестве объектов исследования, с полным основанием можно квалифицировать как разновидность легких бетонов. Поэтому уместно обратиться к информации, касающейся исследований ползучести сжатых элементов из легких бетонов различных разновидностей.
Экспериментальные исследования физико-механических свойств легких и ячеистых бетонов проводились в течение всего периода создания каждого из этих видов бетона. Они были направлены на создание материала, имеющего достаточную прочность и деформативность в процессе структурообразования, твердения, и дальнейшей эксплуатации бетона, а также обладающего морозостойкостью и долговечностью в условиях длительного действия нагрузки, увлажнения или высыхания. Накопленный опыт возведения и эксплуатации конструкций из них доказал принципиальную возможность использования данных материалов [17, 33, 35,65,84,99,146,159,160].
Первые фундаментальные исследования, связанные с изучением- свойств легкого, бетона и железобетона на его основе, выполнены А.А. Гвоздевым, К.С. Завриевым, К.С. Карапетяном [71-73], Н.А. Корневым [84-86], Ж.П. Леви [92], Р.Л. Маиляном [76], Н.А. Поповым [125], М.З. Симоновым [147], Б.Г. Скрамтаевым, Shideler [194]. В дальнейшем большой вклад в дело исследования легких бетонов и их практического применения внесли I. Atari [185], С.Ф. Бугрим [33-34], Г.А. Бужевич [35], Г.И. Горчаков, В.Г. Довжик [64], Р.К. Житкевич [65], И.А. Иванов [68], Д.П: Киселев [81]; Н.А.Корнев [85], А.А. Кудрявцев [90], Ю.И. Мешкаускас [114], А.Б. Пирадов [122], О. Slate, Л.С. Спаннут [157], М.Ф. Чебуков [171] и другие.
Большое разнообразие легких заполнителей с различными свойствами-определяет отличие свойств легких бетонов от аналогичных свойств тяжелых бетонов. Хотя прочностные характеристики легких заполнителей колеблются от 0,5 до 10 МПа (литоидная и шлаковая пемза, керамзит, аглопорит, металлургический шлак и т.д.), однако их работа в бетоне сильно смягчает это различие, что позволяет выявить общие закономерности, свойственные легкому бетону.
При загружении элементов из легкого бетона напряжения распределяются на заполнитель и растворную составляющую прямо пропорционально их модулям упругости. В связи с тем, что модуль упругости последней в 2-3 раза выше, при увеличении нагрузки растворная составляющая, быстрее достигает своего предела прочности, после чего происходит перераспределение напряжений, пока заполнитель также не достигнет своего предела прочности. Это соответствует моменту разрушения образца, которое в легких бетонах, как правило, происходит из-за разрушения заполнителя.
Такие бетоны из-за пористости и низкого модуля упругости заполнителя обладают повышенной усадкой и ползучестью в сравнении с тяжелыми бетонами (таблица 1.1), а также более интенсивным и длительным развитием усадки и ползучести за счет капиллярных явлений благодаря испарению поглощенной заполнителем влаги [35, 71, 76, 114-115, 147, 185, 194]. Однако, лучшее, чем в тяжелых бетонах, сцепление пористого заполнителя с растворной составляющей положительно влияет на физико-механические свойства легких бетонов. Работами ряда исследователей [68, 106] доказано, что пористый заполнитель работает внутри бетона в условиях стесненной деформации, что повышает его прочность. Поглощение пористым заполнителем избыточной влаги при. приготовлении бетона и постепенная отдача ее впоследствии в цементный камень способствует улучшению контактного слоя между заполнителем и цементным камнем и увеличивает их сцепление. Отсюда и следующая, свойственная легким бетонам закономерность -более высокая, чем у тяжелых бетонов, степень обжатия, соответствующая началу развития микротрещин и существенно нелинейной ползучести [65, 76; 81, 90, 106, 118,157].
Так как пористому заполнителю свойственно набухание и последующая усадка, то в работах [34, 157] отмечается начальное расширение бетона в течение некоторого периода после изготовления. Поэтому при загружении легкого бетона постоянными напряжениями сжатия, учет влажностных деформаций увеличивает значение относительных деформаций ползучести в период преобладания деформаций расширения и уменьшает их в период преобладания деформаций усадки.
Деформации ползучести элементов из легких бетонов-возрастают во времени менее интенсивно, чем у элементов из тяжелых бетонов, и постепенно затухают к более поздним срокам [7, 26]. Это является следствием более благоприятного влажностного режима в легких бетонах, вызванного эффектом самовакуумирования.
Кроме того, установлено [85], что модуль упругости некоторых легких бетонов уменьшается с увеличением возраста, что также отличает его от тяжелого бетона.
Характеристика составов бетона и методика изготовления опытных элементов
В результате анализа проведенных во ВГАСУ исследований [108, 151, 174, 175] по оптимизации составов поризованного бетона на основе типичных представителей природного и техногенного сырья регионов РФ, к работе были приняты следующие составы поризованных бетонов, приведенные в таблице 2.2. Там же представлены составы плотных бетонов, рассматриваемые в качестве матричного материала для соответствующих видов поризованного бетона.
Составы мелко- и микрозернистых поризованных бетонов по соотношению вяжущего и наполнителя принимались исходя из критерия минимальной эксплуатационной деформативности материала [108, 151]. Водотвердое (водоцементное) отношение назначалось исходя из условия создания необходимой вязкости бетонной смеси, определяющей ее поризуемость и воздухоудерживающую способность. В целом, применение этих составов обеспечивает не только возможность получения поризованного бетона с высокими эксплуатационными показателями, но и рациональное дозирование компонентов.
Для приготовления плотных и поризованных бетонов применялись следующие сырьевые материалы, удовлетворяющие требованиям соответствующих нормативных документов: 1) портландцемент марки ПЦ 500-ДО производства Старооскольского цементного завода Белгородской области по ГОСТ 100178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия»; 2) кварцевый песок Тамбовского карьера Воронежской области в качестве заполнителя для мелкозернистого бетона (модуль крупности 1,4; насыпная плотность 1430 кг/м ; истинная плотность 2600 кг/м ; пустотность 38 %; удельная поверхность 66 м2/кг; водопоглащение 1,32 %; содержание пылевидных и глинистых частиц 1,2 %). По гранулометрическому составу и модулю крупности относится к группе мелких по ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия»; 3) зола-унос Воронежской ТЭЦ-2 с удельной поверхностью 300 м2/кг в качестве наполнителя для микрозернистого бетона по ГОСТ 25818-91 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетона. Технические условия» (насыпная плотность 790 кг/м ; истинная плотность 2130 кг/м ; водопотребность 42,8 %; оценка по коэффициенту основности - ультракислая; содержание оксидов, %: Si02 - 48-52; А1203 - (18,5-21,5); Fe203 - (12,5-14,5); СаО - (5,0-5,5); MgO - (2-3); К20 - (1-2); Na20 - 1; S203 - (0,4-0,6); прочие - (6-15); 4) поверхносто-активная супервоздухововлекающая добавка анионоактивного типа «Пеностром», разработанная в НПО «Синтез ПАВ» г. Щебекино Белгородской области; 5) вода из систем питьевого водоснабжения по ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия».
Размеры опытных элементов были выбраны исходя из условий размещения их в установках для длительных испытаний, а также исходя из условий работы бетона в применяемых на практике конструкциях. В соответствии с последним, несущие стены из монолитного бетона толщиной 200 мм и колонны сечением 400x400 мм наиболее распространены в практике строительства. Применение крупномасштабной модели в 1/2 - 1/4 натуральной величины позволяет получить качественные и количественные показатели работы натурного элемента. Таким образом, опытные элементы были выполнены в виде призм размером 100x100x400 и 150x150x600 мм, что помимо вышеуказанного, соответствует и требованиям ГОСТ 24544-81. Для эксперимента изготавливались кубы размерами 70x70x70, 100x100x100 и 150x150x150 мм. Общий вид серии образцов представлен нарис. 2.3.
Для обеспечения сопоставимости результатов экспериментальных исследований все образцы изготавливались из одних и тех же материалов и по одной технологии. Последовательность изготовления образцов рандомизировалась, определялась по таблице равномерно распределенных случайных чисел, что позволяло в дальнейшем использовать методы математической статистики для оценки влияния многочисленных неучтенных факторов, ошибок эксперимента, которые в случае рандомизации последовательности изготовления образцов и проведения опытов приобретают случайный характер и подчиняются нормальному закону распределения.
Получение поризованной бетонной смеси производилось при одностадийном перемешивании в смесителе турбинного типа со скоростью перемешивания 15 с"1 при продолжительности 4 минуты. Загрузка компонентов смеси в лабораторную турбулентную установку производилась в следующей последовательности: (вода + добавка) + заполнитель + цемент. Обеспечение требуемой средней плотности бетонной смеси достигалось изменением дозировки воздухововлекающей добавки «Пеностром» в диапазоне 0,05-0,1 % от массы цемента при 10 % концентрации ее рабочего раствора. При этом для составов поризованного бетона на золе процент воздухововлекающей добавки брался от массы твердого вещества (цемент + наполнитель). Плотные мелко- и микрозернистые бетоны изготавливались аналогичным образом, но без воздухововлекающей добавки.
После приготовления бетонной смеси производился отбор пробы для ее последующего взвешивание в цилиндрическом сосуде емкостью 1 дм3. Если объемная масса смеси удовлетворяла требованиям, то производилось формование образцов. При этом отклонения значений плотности отдельных образцов от требуемого среднего значения плотности поризованного бетона к моменту их испытания ограничивались пределом ±50 кг/м .
Бетонирование призм производилось в горизонтальном положении в специальных металлических формах. Перед использованием форм их внутренние поверхности покрывались тонким слоем смазки. Укладка бетонной смеси в форму производилась с кратковременной вибрацией на лабораторном вибростоле. После укладки и уплотнения верхняя поверхность образцов заглаживалась. Затем до распалубливания образцы хранились в формах, накрытых полиэтиленовой пленкой, исключающей возможность испарения из них влаги, в лаборатории с температурой воздуха (19±3) С. Распалубка заформованных образцов производилась через (24±2) часа после формования. После чего образцы перемещались в помещение, где до 28-суточного возраста хранились в нормальных условиях в ванне над водой.
Деформации, структурные изменения и характер разрушения опытных элементов при осевом сжатии
Анализ, напряженно-деформированного состояния, испытанных опытных элементов проводился по- диаграммам сжатия и состояния; построенных в относительных величинах зависимостей:
Из анализа всей совокупности диаграмм, «напряжение-деформации» следует, что изменение относительных продольных и поперечных деформаций вг сжатых элементах, независимо от вида бетона, носит один и тот же характер (рисунок 3.7). До относительного уровня напряжений (0 3-0,5) Rbm для- элементов из мелкозернистого бетона и (0,25-0,35) Rbm для«элементов:из микрозернистого бетона эти изменения происходят практически, по линейному закону, после чего линейная форма начинает искажаться, приобретая криволинейный характер: Это можно объяснить, влиянием перехода работы материала элементов в пластическую стадию с сокращением упругого- деформирования, что подтверждается коэффициентом упругопластичности (отношение упругих деформаций- бетона к полным), который на момент разрушения образцов снизился в среднем до 0,72 и 0,65 соответственно для мелко- и микрозернистого бетона. В общем случае деформации сжатых элементов из поризованного бетона связаны с напряжениями следующей зависимостью:
По мере увеличения средней плотности поризованного бетона увеличивается деформативность опытных элементов при одинаковых уровнях напряжений. Продольные и поперечные относительные деформации у элементов из мелкозернистого поризованного бетона в 1,5-2 раза меньше соответствующих деформаций элементов из микрозернистого поризованного бетона. Причем, эти расхождения наблюдаются уже на первых ступенях загружения при уровне напряжений 0,2 Rb- Поперечные деформации при сжатии примерно в 5-6 раз меньше продольных для элементов из мелкозернистого поризованного бетона и в 4-5 раза -для элементов из микрозернистого бетона. Деформативность элементов из плотного бетона лишь незначительно отличается от элементов из поризованного с маркой по средней плотности D1600.
Для аппроксимации криволинейных участков диаграмм сжатия и предельных деформаций хорошие результаты дает зависимость, предложенная ранее НИИЖБ для легких бетонов:
Предельные продольные относительные деформации, определенные петем экстраполяции средних зависимостей «o7Rb-8i» до величин разрушающей нагрузки, приведены на рисунке 3.8. Предельная сжимаемость элементов из мелкозернистого поризованного бетона с ростом его марки по средней плотности увеличилась в среднем от 128-10"5 до 184-10"5, что примерно в 1,6-1,9 раза меньше сжимаемости элементов из равномарочного микрозернистого поризованного бетона. Средние предельные поперечные деформации сжатых элементов меньше продольных в 3-4 раза. Экспериментально-статистические зависимости предельной сжимаемости элементов из мелко- (3.9) и микрозернистого (3.10) поризованного бетона от их средней плотности имеют вид:
Для оценки процесса накопления микроразрушений в сжатых элементах из поризованного и плотного бетонов с ростом нагрузки использовалась методика О.Я. Берга [20, 22]. Характерные зависимости коэффициента поперечной деформации v и его приращения Av, объема образца Q и его приращения AQ, а также времени прохождения ультразвука t/to для элементов из поризованного бетона нормального твердения, подвергнутых кратковременному сжатию в возрасте 28 суток, дают возможность установить параметрические характеристики процесса разрушения -условную нижнюю и верхнюю границы образования микротрещин R 0 и Rcrcv.
Анализ результатов проведенных экспериментов показал, что для элементов из мелко- и микрозернистого поризованного и плотного бетонов верхняя граница образования микротрещин Rcrcv фиксировалась достаточно четко по результатам электротензометрических и ультразвуковых измерений, подробно описанных в п.п. 2.3.1. На рисунке 3.9 и 3.10 приведены диаграммы состояний поризованного бетона для опытных элементов двух серий. Приведенные диаграммы характерны и для остальных серий образцов.
Верхняя параметрическая точка RcrcV соответствующая началу интенсивного разрыхления структуры поризованного бетона и нарушения ее сплошности, для элементов из мелкозернистого бетона находилась на уровне (0,76-1,0) Rb независимо от средней плотности бетона, а для элементов из микрозернистого бетона отношение RcrcTRb несколько сместилось до уровня (0,68-1,0). При этом, большинство трещин в призмах появлялись в момент полного разрушения образцов. Очевидно, это объясняется тем, что поризованный бетон является ячеистым материалом, в межпоровых перегородках которого имеются микротрещины. При его сжатии продольные деформации могут развиваться за счет уплотнения материала, закрытия микротрещин, а также вследствие потери несущей способности межпоровых перегородок. Но увеличения поперечных размеров опытных элементов даже при напряжениях, близких к пределу прочности Rt,m, практически не наблюдается.
Первые трещины в сжатых элементах из плотного бетона появлялись обычно при нагрузке 0,92 и 0,84 от разрушающей, соответственно для оэлементов из мелко-и микрозернистого бетона.
Оценка нижней границы образования микротрещин Rcrc в сжатых элементах из поризованном бетоне при помощи коэффициентов v, Av и по изменению времени ультразвука t/t0 не дает однозначных и адекватных результатов, так как данные критерии не являются достаточно надежными (они практически не изменяются почти до верхней границы). Поэтому нижняя граница определялась косвенно по результатам обработки длительных испытаний (см. раздел 4). При этом за Rcrc принималось напряжение, выше которого зависимость деформаций ползучести от напряжений становилась нелинейной.
Как уже отмечалось, испытание образцов из поризованного бетона проводилось до их полного разрушения. При испытании кубов на сжатие, без устранения трения по торцам, в момент разрушения они раскалывались по наклонным плоскостям с отделением их средних боковых частей (рисунок 3.11).
Закономерности упругого последействия поризованного бетона при полной разгрузке опытных элементов с разных уровней напряжений сжатия
Изучение характера и степени обратимости деформаций ползучести проводилось после разгрузки ранее загруженных элементов из поризованного бетона при а = (0,15-0,75) Rbm (см. рисунок 4.6-4.8).
Основные данные об удельных деформациях упругого последействия мелко- и микрозернистого поризованного бетона, разгруженных с разных уровней постоянных напряжений сжатия представлены на рисунках 4.13-4.15. Отсчет удельных деформаций упругого последействия (т.е. отнесенных к единице напряжения, действовавшего в образце до его разгрузки) в соответствии с принципом наложения воздействий производился от продолжения кривых удельных
В результате анализа полученных данных установлено, что деформации упругого последействия поризованного бетона всех составов практически линейно зависят от напряжений, действовавших в опытных элементах до их разгрузки (см. рис. 4.13-4.15). Об этом свидетельствует незначительная разница в величинах ординат мер последействия, и то, что некоторые из кривых, при более низких уровнях напряжений имели несколько большие значения удельных деформаций последействия. Практически линейная зависимость деформаций последействия от напряжений отмечена и в ряде работ [36, 43, 45, 48, 124, 157, 191], посвященных изучению тяжелого и легкого бетонов.
Характер развития деформаций последействия и их достигаемые значения отличаются для образцов микрозернистого и мелкозернистого бетона. Для одной и той же величины средней плотности, деформации последействия микрозернистого бетона больше, чем мелкозернистого в среднем на 10-30 %, а мера их последействия, наоборот, меньше - на 0-10 %. Деформации последействия для мелкозернистого поризованного бетона, также как и деформации ползучести, имеют более низкие скорости развития в начальный период времени после разгрузки образцов, чем для микрозернистых бетонов, и стабилизируются к более поздним срокам. В целом, развитие деформаций последействия обоих видов поризованного бетона при продолжительности наблюдения в течение 70 суток носит затухающий характер.
Степень обратимости деформаций ползучести (отношение деформаций последействия к деформациям ползучести) оказалась тем больше, чем выше была марка бетона по средней плотности, а также у элементов из мелкозернистого бетона, чем у элементов из микрозернистого. Так, степень обратимости деформаций ползучести опытных элементов из поризованного бетона по отношению к деформациям накопленным к моменту разгрузки в среднем составляет: - при отсчете деформаций последействия от соответствующей горизонтальной прямой: 0,25; 0,30; 0,33 и 0,23; 0,26; 0,30 для элементов из мелко- и микрозернистого бетона марок по средней плотности D1200, D1400 и D1600 соответственно; - то же, от продолжения кривых удельных деформаций ползучести как бы неразгруженных образцов-близнецов: 0,31; 0,35; 0,38 и 0,28; 0,29; 0,34 для элементов из мелко- и микрозернистого бетона марок по средней плотности D1200, D1400 и D1600 соответственно.
Обратимость плотных бетонов в обоих случаях составила в среднем соответственно 0,22 и 0,30 для элементов из мелкозернистого бетона и 0,18; 0,23 для элементов из микрозернистого бетона.
В основе многих вариантов теории ползучести лежит гипотеза о строгом соблюдении принципа наложения воздействий. Одна из сторон принципа наложения воздействий состоит в том, что деформации последействия образцов, подвергнутых полной разгрузки в возрасте т2, считаются равными деформациям образца-близнеца, впервые загруженного в возрасте т2 той же ступенью нагрузки, т.е. ВС = DE (рисунок 4.16).
