Введение к работе
Актуальность. Одним из путей решения задач в области строительства является повышение надежности и долговечности материалов, применяемых в конструкциях зданий и сооружений. Проблема качества наиболее распространенных железобетонных конструкций связана с увеличением прочности и деформативных свойств бетона. Постоянно возрастающие требования к физико-механическим свойствам бетона диктуют широкое применение новых и эффективных методов для более точной и достоверной количественной оценки параметров разрушения, вскрытия дополнительных резервов несущей способности бетонов, повышения их срока службы в условиях эксплуатации. Практически в любом материале, в том числе бетоне, имеются дефекты в виде пор, капилляров, трещин и других несплошностей структуры. Они возникают либо при изготовлении бетона, либо образуются в процессе эксплуатации под действием нагрузок и окружающей среды. В процессе длительного постепенно развивающегося во времени разрушения под действием нагрузки происходит развитие дефектов с образованием микро-и макротрещин, которые могут привести к исчерпанию несущей способности конструкций из бетона. Продвижение трещин может происходить устойчиво по мере увеличения уровня или продолжительности действия нагрузки и неустойчиво, при снятии нагрузки, приводящее, в конечном итоге, к мгновенному разрушению. Создание современных комплексных, наиболее информативных и легкодоступных методов для обнаружения, контроля и прямого измерения параметров роста трещин позволит производить целенаправленное конструирование или подбор оптимальных составов бетона с заранее прогнозируемыми физико-механическими свойствами. Это послужит основой для более аргументированной количественной оценки долговечности и остаточной прочности бетонов в условиях эксплуатации.
2
Экспериментально- теоретические исследования и
разработанные на этой основе рекомендации по определению
трещиностоикости и долговечности различных видов бетона внесут
определенный вклад в решение важных производственных задач по
сокращению материальных затрат на строительство, эксплуатацию и
ремонт конструкций зданий и сооружений, что определяет практическую и
научную актуальность работы.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских тем, разработанных в Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии: «Исследование и разработка рекомендаций по определению энергии разрушения и долговечности бетона при сжатии и изгибе» в 1988-1989 гг. (№ гос. per. 01890039085), в рамках научно-технической программы «Архитектура и строительство» в 1993-1999 годах выполнена работа по теме:»Разработка новой методики, оборудования и аппаратуры для количественной оценки трещиностоикости и долговечности жаростойких и обычного бетонов по параметрам подрастания трещин испытуемых образцов при различной скорости их напруження».
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании закономерностей процессов трещинообразования и разрушения бетонов, в количественной оценке параметров трещиностоикости и долговечности на основе общего подхода, объединяющего методы механики разрушения, акустической эмиссии, кинетической теории прочности и закономерности роста трещин при различной скорости нагружения образцов для прогнозирования физико-механических свойств и оптимизации структуры бетонов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать составы бетонов, структура которых включает различные виды, размер и количество заполнителей с использованием нескольких
видов вяжущих, что будет способствовать созданию
наиболее универсальной и комплексной методики контроля за ростом трещин;
установить влияние капиллярно-пористой структуры на изменение параметров трещиностоикости при исследовании сорбционных свойств и структурных характеристик применяемых для испытаний бетонов, в том числе с учётом влияния различных факторов (В/Ц, возраст и условия твердения, влажность, температура и т.д.);
исследовать возможность определения скорости роста трещин в условиях стабильного характера разрушения с получением полных диаграмм деформирования бетона и зависимости V-K,;
изучить влияние размеров образцов, глубины надреза (инициируемой трещины), вида напряжённого состояния, скорости нагружения при испытании цементного камня, раствора и бетона с использованием демпфирующего элемента переменной жёсткости к стандартному прессу;
определить влияние крупного заполнителя (вид, размер и количество), зоны контакта "матрица - заполнитель", а также различных факторов на изменение прочности и трещиностоикости бетонов в условиях равновесных испытаний;
провести комплексные исследования вязкости разрушения различных видов бетонов с одновременным определением параметров роста трещин тензометрическим и акустико-эмиссионным методами;
изучить связь параметров акустической эмиссии и вязкости разрушения бетонов с установлением зависимости скорости роста трещины - V, коэффициента интенсивности напряжений - К, от суммарного счёта и скорости счёта акустической эмиссии;
определить влияние скорости нагружения, ширины раскрытия трещины и других факторов на изменение характеристик трещиностоикости при одновременном получении полных диаграмм разрушения и акустических параметров бетона;
- исследовать влияние скорости нагружешя образцов различных
видов бетонов на изменение их прочности, трещиностойкости и долговечности;
установить влияние различных факторов, в том числе высоких температур, на изменение количественных характеристик прочности, трещиностойкости и долговечности различных видов и составов бетона;
проанализировать процесс образования и развития трещин в бетонах с позиций механики разрушения, акустической эмиссии, кинетической теории прочности и закономерностей роста трещин при различной скорости нагружения образцов;
произвести количественную оценку полученных корреляционных зависимостей для разработки рекомендаций по испытанию, контролю и проектированию бетонов с прогнозируемыми физико -механическими свойствами.
Научная новизна работы состоит в следующем :
установлены закономерности изменения скорости роста и ширины раскрытия трещин в условиях стабильного характера разрушения с одновременным использованием стандартизированной методики ГОСТ 29167-91 и дополнительно разработанного тензометрического устройства;
получены новые данные по влиянию скорости нагружения ( в интервале от 10"'м/с до Ю^м/с) на изменение параметров вязкости разрушения бетонов в условиях равновесных испытаний;
установлены закономерности изменения показателей трещиностойкости бетонов в зависимости от влияния размеров образцов, глубины, числа и расположения надрезов (инициируемой трещины), вида, размера и количества заполнителей и других факторов;
установлена связь параметров акустической эмиссии и вязкости разрушения со скоростью нагружения образцов, при одновременном применении тензометрического и акустического методов выявлены границы микро- и макротрещинообразования бетонов с различным заполнителем;
- количественно определены параметры медленного роста
трещин с получением зависимости «скорость трещины - коэффициент интенсивности напряжений» в процессе равновесных испытаний с применением тензометрической и акустической аппаратуры. На основании полученных зависимостей определено время до разрушения ( долговечность ) жаростойкого бетона при температуре нагрева 800 С ;
разработаны метод и оборудование, позволяющие количественно определить трещиностойкость и долговечность различных видов бетонов по параметрам докритического роста трещин в испытуемых образцах при разной скорости их нагружения ;
впервые получены экспериментальные данные по влиянию широкого интервала скоростей нагружения ( от 10"'м/с до 10 'м/с ) на изменение прочности и грешиностойкости различных видов и составоз бетонов. Такие данные являются основой для анализа субкритического подрастания трещин, определяющего долговечность бетона;
на основе разработанного метода испытания образцов с различной скоростью нагружения количественно определены сроки службы (долговечность) бетонов, эксплуатируемых в условиях действия высоких температур и нагрузки;
получена корреляционная зависимость с построением тарировочной кривой изменения параметра трещиностойкости от коэффициента динамического упрочнения;
установлены закономерности изменения параметров роста трещин при испытании в условиях стабильного характера разрушения (тензометрический метод), по полным диаграммам деформирования с применением акустической аппаратуры и по прочности, полученной при различной скорости нагружения;
на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований, внедрения результатов в производство развиты научно-прикладные основы для разработки оптимальных составов различных видов бетонов с заранее прогнозируемыми свойствами. Разработаны
составы легких и тяжелых ( с добавками ) бетонов с улучшенными характеристиками трещиностойкости.
Научная новизна работы подтверждена 3-ми патентами РФ.
Практическое значение работы. Предложен общий методологический подход количественной оценки параметров трещиностойкости и долговечности различных видов и составов бетонов, основанный на использовании методов механики разрушения, кинетический теории прочности, акустической эмиссии и закономерностей роста трещин при различной скорости нагружения образцов. Этот метод использован при разработке новых и совершенствовании известных составов бетонов с целью повышения их долговечности. Разработанные методика и аппаратура для количественной оценки трещиностойкости и долговечности в настоящее время используются: в лаборатории жаростойких бетонов и огнестойкости ж/б конструкций НИИЖБ при подборе составов и разработке новых видов жаростойких бетонов, а также для прогнозирования срока службы бетона в конструкциях при действии температуры и нагрузки (г. Москва), в лаборатории огнеупорных легких бетонов института "НИИКерамзиг " (г. Самара), в "Рекомендациях по определению долговечности жаростойкого бетона "(ВНИИТПИ г.Москва), в тресте "Тракторремстрой" (г. Волгоград ), в проектно-производственном комплексе "ЭЖИП" (г. Волжский), в Волгоградском филиале АО "Тепломонтаж", на кафедре дорожно-строительных материалов ХАДИ (г. Харьков, Украина), в АО "Строительные материалы " (г. Волгоград) ,в АООТ "ЖБИ " N 6 и в АООТ "ЖБИ 1Ч"Г( г. Волгоград), в КГБ " НИИЖБ " Инженерного центра "ЮгСгрой" (г. Волгоград), в ОАО "Проектстрой" (г. Волгоград), в тресте "Дормостстрой" (г. Волгоград), в Государственной противопожарной службе Главного Управления Внутренних дел Волгоградской области, в ОАО "Волгоградгоргаз", в тресте "Приволжтрансстрой" (г. Волгоград), на кафедрах строительных материалов и строительных конструкций Харьковского института инженеров городского хозяйства и др.
7
Опытное внедрение разработанных составов бетонов,
экономическая эффективность которых определяется снижением
плотности, энергозатрат, расхода цемента при повышении прочности и
трещиностойкости, позволило улучшить экологические состояние
Волгоградского региона за счёт использования отходов вторичных
ресурсов (" Алюминиевый завод ", загрязнённая пойма р. Волги,
предприятия химической промышленности и др.).
Материалы работы используются в учебном процессе специальности 290600 " Производство строительных материалов, изделий и конструкций " на кафедре " Строительных материалов и специальных технологий " Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научно-технической конференции по механике разрушения бетона и железобетона (г.Севастополь, 1988г), Всесоюзной научно-технической конференции " Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и сооружений " (г.Челябинск, 1989г), ежегодных научно-технических конференциях ВолГАСА (г.Волгоград, 1988-2000г.г.), научно-техническом семинаре Харьковского автомобильно-дорожного института (г.Харьков, 1991г.), научно-технической конференции " Вопросы теплообмена в строительстве " (РИСИ, г.Ростов-на-Дону, 1992г.), научно-технической конференции "Эффективные жаростойкие материалы для строительства и реконструкции тепловых агрегатов промышленности строительных материалов" (УралНИИстромпроект, г.Челябинск, 1992г.), 1-й межвузовской конференции "Строительство" (г.Волгоград, 1994г.), 1-х Академических чтениях (г.Самара, 1995г.), международной научно-технической конференции "Проблемы строительного материаловедения и новые технологии" (БелГАСА, г.Белгород, 1995г.), п-х Академических чтениях (КазГАСА, г.Казань, 1996г.), международном семинаре "Экология, жизнь, здоровье " (Волгоград, 1996г.), межвузовской научно-технической конференции (г.Камышин, 1996г.), IV Академических чтениях (г.Пенза,
8
1998г.), международной научно- технической конференции
"Надёжность и долговечность строительных материалов и конструкций"
(ВолгГАСА, г.Волгоград, 1998г.), международной научно-практической
конференции "Экологическая безопасность " (ВолгГАСА, г.Волгоград,
1999Г.), научно-технической конференции (г.Магнитогорск, 1999г.),
международной научно-практической конференции "Строілпельство-2000
" (РГСУ, г. Ростов-на-Дону, 2000г.), научно-практической конференции
"Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" (РГСУ, г. Ростов-на-Дону,
2000г.), научно-технической конференции, посвященной 70-летию
строительного образования (ВолгГАСА, г. Волгоград, 2000) и др.
Личный вклад автора. Автором осуществлены: научное обоснование; разработка методик, оборудования и программы теоретических и экспериментальных исследований; анализ и обобщение результатов исследований с разработкой эмпирических зависимостей; экспериментальные исследования, в том числе в производственных условиях, внедрение результатов исследований в строительной индустрии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, в том числе одна монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 200 наименований и приложений. Содержит 404 страницы машинописного текста, в том числе 85 рисунков и 60 таблиц.