Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие закономерности процессов трещинообразования и разрушения бетонов...: 13
1.1 Энергетический подход к разрушению материалов 13
1.2 Критерий предельных напряжений 25
1.3 Деформационный критерий разрушения 34
1.4 Кинетическая природа разрушения 44
1.5 Влияние скорости нагружения на процесс трещинообразования бетонов 55
1.6 Выводы по главе 1. Научная гипотеза 67
Глава 2. Материалы, применяемые для исследований, и их структурные характеристики 70
2.1 Характеристика исходных материалов 70
2.2 Исследование пористой структуры бетонов 81
2.3 Количественная оценка пористости исследуемых
видов бетонов с учетом влияния различных факторов 84
2.4 Определение водонепроницаемости бетонов 94
2.5 Выводы по главе 2 96
Глава 3. Методы определения параметров трещинообразования и разрушения бетонов 99
3.1 Выбор оптимальных методов определения вязкости разрушения бетонов 99
3.2 Модель микро - и макротрещинообразования и разрушения бетонов 102
3.3 Экспериментальные установки для определения параметров трещинообразования и разрушения бетонов 113
3.4 Выводы по главе 3 129
Глава 4. Определение параметров трещиностойкости в условиях стабильного характера разрушения 132
4.1 Докритический рост трещин в цементном камне, растворе и бетоне 132
4.2 Влияние различных факторов на образование и развитие макротрещин в бетоне 142
4.3 Выводы по главе 4 158
Глава 5. Акустико-эмиссионный метод оценки трещинообразования бетонов 160
5.1 Преимущества метода акустической эмиссии при обнаружении и измерении параметров микро- и макротрещин 160
5.2 Акустическая эмиссия при деформировании и разрушении бетонов 165
5.3 Экспериментальные исследования параметров акустической эмиссии для количественной оценки трещинообразования бетонов 168
5.4 Выводы по главе 5 193
Глава 6. Разработка и оптимизация составов, структуры за счет количественной оценки трещиностойкости и разрушения бетонов по параметрам докритического подрастания трещин в образцах при различной скорости их напряжения 196
6.1 Определение параметров трещиностойкости в условиях переменного напряжения 196
6.2 Влияние различных факторов на изменение трещиностойкости бетонов 202
6.3 Влияние вида и состава бетона на изменение параметров трещиностойкости 213
6.4 Трещиностойкость бетонов в условиях воздействия высоких температур 221
6.5 Определение критической длины магистральной трещины в бетоне 225
6.6 Блок — схема разработки, оптимизации составов, структуры и механических свойств бетона 235
6.7 Выводы по главе 6 239
Глава 7. Прогнозирование разрушения разработанных составов бетонов повышенной трещиностойкости 242
7.1 Комплексный подход к количественной оценке трещиностойкости и долговечности бетонов 242
7.2 Расчёт параметров трещиностойкости лёгких жаростойких бетонов в зависимости от температуры нагрева и нагрузки 250
7.3 Прогнозирование срока службы бетонов при устройстве фундаментов 257
7.4 Оценка технико-экономической эффективности 264
7.5 Рекомендации по определению параметров трещинообразования и разрушения бетонов 267
7.6 Выводы по главе 7 272
Общие выводы 274
Библиографический список 279
Приложения 319
- Энергетический подход к разрушению материалов
- Характеристика исходных материалов
- Выбор оптимальных методов определения вязкости разрушения бетонов
- Докритический рост трещин в цементном камне, растворе и бетоне
Введение к работе
В связи с возрастанием объемов строительства в России и ухудшением геоэкологической обстановки Нижневолжского региона, в частности, возрастают требования к повышению надежности материалов конструкций. Более того, увеличение количества отходов производства алюминия, химических предприятий и продуктов, загрязняющих Волго-Ахтубинскую пойму, требует разработки новых материалов на основе техногенных отходов. Проблема имеет народнохозяйственное значение.
Поскольку класс прочности бетона определяется проектным заданием, то одними из решающих критериев качества, определяющих надежность и составную ее часть — долговечность, являются деформативные свойства и трещиностойкость материала.
Существующие методы контроля характеристик трещиностойкости рассматривают их односторонне с позиций отдельно взятых методов и не позволяют всесторонне количественно оценивать физико-механические свойства бетонов.
Решением геоэкологической и проблемы сокращения материальных, трудовых и финансовых затрат на строительство, эксплуатацию и ремонт конструкций зданий и сооружений является создание новых и совершенствование существующих материалов повышенной трещиностойкости с использованием техногенных отходов, разработанных на основе изучения структуры бетонов, количественной оценки закономерностей процессов их трещинообразования и разрушения. Это стало возможным благодаря комплексному подходу, объединяющему методы механики разрушения, акустической эмиссии, кинетической теории прочности и методы определения прочности образцов при различной скорости их нагружения, позволяющему производить прогноз долговечности бетонов различного назначения.
Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской программой «Архитектура и строительство», разработанной в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете в 1990 - 2003 годах.
Целью работы является разработка и оптимизация составов, структуры и свойств бетонов повышенной трещиностойкости на основе комплексной оценки закономерностей процессов их трещинообразования и разрушения при механических воздействиях.
Для достижения цели были решены следующие задачи исследований:
1. Обобщены исследования общих закономерностей процессов трещинообразования и разрушения, теоретически обоснована возможность получения бетонов повышенной трещиностойкости за счет комплексного изучения их свойств и элементов структуры по параметрам трещиностойкости и акустической эмиссии.
2. Обоснован выбор материалов для проведения экспериментов. Исследованы структурные характеристики бетонов, применяемых для определения параметров трещиностойкости.
3. Разработаны модель, методы и оборудование для определения параметров микро- и макротрещинообразования в процессе разрушения бетонов.
4. Произведен контроль параметров макротрещин в условиях стабильного характера разрушения комплексным методом, позволяющим получить энергетические и силовые характеристики механики разрушения при одновременном определении длины, ширины раскрытия и скорости роста трещины.
5. Применен при обнаружении и измерении параметров микро — и макро-трещин акустико-эмиссионный метод оценки вязкости разрушения бетонов различного назначения.
6. Разработаны и оптимизированы составы, структура и свойства за счет количественной оценки трещиностойкости и прогноза долговечности бетонов по параметрам докритического подрастания трещин испытуемых образцов при различной скорости их нагружения.
7. Произведено прогнозирование разрушения разработанных составов бетонов и определен технико-экономический эффект применения материалов различного назначения. Научная новизна:
1. Теоретически обоснована возможность разработки различных видов и составов бетонов повышенной трещиностойкости за счет количественной оценки их трещинообразования и разрушения.
2. Разработаны научно-экспериментальные основы оптимизации состава, структуры и свойств бетонов с учетом закономерностей трещинообразования и их взаимосвязи с видом, крупностью и количеством крупного заполнителя, контактной зоной «матрица-заполнитель», водоцементным отношением, видом и степенью гидратации вяжущего и другими факторами. Построена диаграмма предельного состояния бетонов, базирующаяся на комплексном подходе, объединяющем положения механики разрушения, акустической эмиссии, кинетической теории прочности и закономерности роста трещин при различной скорости нагружения образцов.
3. Обоснована возможность разработки универсального и комплексного метода контроля за ростом трещин и установления зависимостей полученных параметров трещиностойкости бетонов от их состава, структуры и свойств.
4. Установлено влияние пористости на изменение параметров трещиностойкости при исследовании сорбционных свойств и структурных характеристик уже известных и новых составов бетонов, в том числе, с учетом влияния различных факторов ( возраст, условия твердения, температура и т.д.).
5. Получены зависимости скорости роста трещины V от коэффициента интенсивности напряжений Kj. Независимо от состава и размера образцов после статистической обработки результатов испытаний определен показатель трещиностойкости п для цементного камня, раствора и бетонов в условиях равновесных испытаний с получением полных диаграмм деформирования.
6. Определены параметры трещиностойкости различных видов бетонов с одновременным определением скорости роста трещин, коэффициента интенсивности напряжений, суммарного счета и скорости счета акустико-эмиссионным и тензометрическим методами.
7. Исследовано влияние скорости нагружения на изменение характеристик трещиностойкости при одновременном получении полных диаграмм деформирования и акустических параметров различных видов бетона.
8. Произведен комплексный анализ и количественная оценка полученных зависимостей процесса образования и роста трещин с позиций механики разрушения, акустической эмиссии, кинетической теории и закономерностей трещинообразования при различной скорости нагружения образцов.
9. Осуществлена количественная оценка трещиностойкости различных видов и составов бетонов по коэффициентам динамического упрочнения, определяемым по прочности, полученной при различной скорости нагружения образцов. На основе теоретических исследований и проведенных экспериментов получено уравнение прогноза долговечности т.
Практическое значение работы:
1. Разработаны составы легких и тяжелых, в том числе модифицированных, бетонов с улучшенными характеристиками трещиностойкости, результаты внедрены в производство, получено 5 патентов РФ.
2. Разработаны универсальные и комплексные методики контроля за ростом трещин и установлены зависимости полученных параметров трещиностойкости бетонов.
3. Построена диаграмма предельного механического состояния бетона, разработаны новые формулы для определения параметров трещиностойкости и долговечности, которые показывают связь методов механики разрушения и прочности, полученной при различной скорости нагружения.
4. Установлены закономерности изменения показателей трещиностойкости бетонов в зависимости от влияния вида, размера и количества заполнителей, скорости нагружения и других факторов.
5. Установлена связь параметров акустической эмиссии и вязкости разрушения со скоростью нагружения образцов. Получена зависимость изменения суммарного счета АЭ N и ширины раскрытия трещины 5 от уровня приложенных напряжений а/атах.
6. Количественно определены параметры медленного роста трещин с получением зависимости «скорость трещины - коэффициент интенсивности напряжений - скорость счета АЭ» в процессе равновесных испытаний с применением тензометрической и акустической аппаратуры. Теоретически и экспериментально доказана возможность применения методики определения долговечности бетонов, показывающей связь скорости роста трещины V, приложенной нагрузки а и скорости счета АЭ N. Это дало возможность аналитически определить время до разрушения обычного тяжелого бетона при действии приложенной механической нагрузки.
7. Разработаны методика, оборудование и аппаратура, исключающие, в отличие от тензометрического и акустического способов, прямое измерение подрастающей трещины.
8. Разработаны рекомендации по определению параметров трещинообразо-вания и разрушения бетонов, которые используются в проектно-производственном комплексе "ЭЖИП" (г. Волжский), в Харьковской государственной академии городского хозяйства, в ООО "Волгоградский завод строительных материалов " (г. Волгоград), на предприятиях стройиндустрии г. Харькова и г. Волгограда, в КТБ "НИИЖБ" Инженерного центра "ЮгСт-рой" (г. Волгоград), в тресте "Приволжтрансстрой" (г. Волгоград), в 000 «Монолитстрой» (г. Волгоград), ОАО «Волгоградгоргражданстрой» и др.
Разработанные составы жаростойких бетонов, а также комплексная методика количественного определения параметров трещиностойкости внедрены в СМУ - 1 г. Ижевска при ремонте котельных и обследовании конструкций. Получен экономический эффект более 4 млн. рублей. Достоверность результатов работы заключается в использовании при испытании бетонов механического оборудования и электрической аппаратуры, способных регистрировать необходимые параметры с минимальными погрешностями. Численные значения экспериментальных исследований и количественные закономерности полученных результатов обработаны на основе применения методов математического планирования, использования сглаживающих (линейных, степенных, экспоненциальных, гиперболических и др.) функций, корреляционного и регрессионного анализа. Достоверность и информативность предлагаемых методов, а также полученных аналитических зависимостей подтверждена испытаниями большого количества различных видов и составов бетонов с учетом влияния множества факторов. При исследовании химического состава и микроструктуры было использовано компьютеризированное оборудование САМЕВАХ ( Франция, США ), CAMSKAN ( Великобритания).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и сооружений» (г. Челябинск, 1989 г.), ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (г.Волгоград, 1988 - 2004 гг.), научно-техническом семинаре Харьковского автомобильно-дорожного института (г. Харьков, 1991 г.), научно-технической конференции «Вопросы теплообмена в строительстве» (РИСИ, г. Ростов-на-Дону, 1992 г.), научно - технической конференции «Эффективные жаростойкие материалы для строительства и реконструкции тепловых агрегатов промышленности строительных материалов» (УралНИИстромпроект, г. Челябинск, 1992 г.), 1-й межвузовской конферен ции «Строительство» (г. Волгоград, 1994 г.), 1-х Академических чтениях (г. Самара, 1995 г.), II-х Академических чтениях (КазГАСА, г. Казань, 1996 г.), международном семинаре «Экология, жизнь, здоровье» (Волгоград, 1996 г.), межвузовской научно-технической конференции (г. Камышин, 1996 г.), международной научно-технической конференции «Надёжность и долговечность строительных материалов и конструкций» (ВолгГАСА, г. Волгоград, 1998,2003 г. г.), международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность» (ВолгГАСА, г. Волгоград, 1999 г.), международной научно-практической конференции «Строительство - 2000» (РГСУ г. Ростов-на-Дону, 2000 г), международных научно-практической конференциях «Бетон и железобетон в 3 тысячелетии» (РГСУ г. Ростов-на-Дону, 2000 - 2004 г.г.), VII Академических чтениях (г. Белгород, 2001 г.), 32- й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства»(ПГАСА, г.Пенза,2003 г.), международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и строй-индустрии»(БГТУ, Белгород, 2003 г.), международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Калужский филиал МГТУ им. Баумана, г. Калуга, 2004 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и стройиндустрии» (ТГУ, г. Тула, 2004 г.) , 15 Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 100 - летию со дня рождения академика С.Н. Журкова ( СПГУ, ФТИ им. Иоффе РАН, г. С. Петербург, 2005 г. ), расширенных заседаниях кафедр теплотехники Волг-ГАСУ (г. Волгоград) и строительных материалов ПГУАС (г. Пенза) в 2005 году. 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.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ, в том числе 7 патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 397 наименований, и 3 приложений. Содержит 381 страницу машинописного текста, в том числе 58 рисунков и 58 таблиц. чл.-корр. РААСН, д.т.н., профессору В.П. Се-ляеву, д.т.н., профессору В.И. Шевченко за полезные замечания и пожелания. Автор благодарен инженерам СП. Митяеву, В.А. Гришину, Н.П. Марковой, Е.В. Малыгиной, Ю.Н. Николаеву и др. за совместную работу. И.М. Грушко
Особую признательность автор выражает академику Украины, д.т.н., профессору
Энергетический подход к разрушению материалов
Современные требования, предъявляемые к бетону, как наиболее широко применяемому строительному материалу, предопределяют необходимость разработки физически обоснованной теории процессов его разрушения в различных условиях эксплуатации. Большое значение приобретают явления образования, распространения трещин при действии нагрузок и окружающей среды. Исследование причин возникновения разрушения бетона, а также характера развития процесса создает физическую основу для установления максимально допустимых механических нагрузок на конструкции. Все это дает возможность рационального подбора материала с высокими эксплуатационными параметрами.
Большой вклад в решение вопросов, связанных с теорией повышения прочности, трещиностойкости и долговечности бетонов внесли И.Н. Ахвер-дов, Ю.М. Баженов, О.Я. Берг, А.Н. Бобрышев, А.А. Гвоздев, Г.И. Горчаков, И.М. Грушко, Е.А. Гузеев, В.В. Жуков, С.Н. Журков, Ю.В. Зайцев, И.А. Иванов, П.Г. Комохов, Н.И. Карпенко, С.Ф. Коренькова, С.А. Леонович, Н.И. Макридин, М.Д. Мосесов, Л.П. Орентлихер, Д.В.Орешкин, В.В. Панасюк, Г.Н. Первушин, К.А. Пирадов, В.П. Попов, Г..Я. Почтовик, А.П. Прошин, В.П. Селяев, Б.Г. Скрамтаев, В.И. Соломатов, В.В.Тур, Е.М. Чернышов, В.И. Шевченко, Е.И., Щербаков, А.Ф. Щуров, А.В. Яшин, а также 3. Базант, Д. Планас, Б. Карихалу, С. Шах, А.Г. Эванс, Ф. Виттман, С. Миндесс, С. Видер-хорн, М. Каплан, Б. Коттерелл, Ф. Макклинтон, У. Браун, Б.Х. Ох, Д. Сроули и др.
В настоящее время существующие теории о прочности и трещиностой-кости не дают полного объяснения процесса разрушения бетона. Сложность проблемы трещиностойкости обусловлена многокомпонентностью бетонов, влиянием свойств составляющих его материалов. Поэтому важным является выбор критерия, который мог бы комплексно охарактеризовать основные параметры роста трещин.
В основе процессов трещинообразования материалов под действием нагрузки лежат фундаментальные принципы физико-механической концепции разрушения. Раньше считалось, что твердое тело, как однородная среда, разрушается мгновенно при достижении предельного значения внешней механической нагрузки. В результате проведенных экспериментов оказалось, что теоретическая прочность твердых тел значительно выше их практической прочности. А.Ф. Иоффе [94,95] в результате исследований прочности кристаллов каменной соли объяснил несоответствие между идеальной и экспериментальной прочностью следующим образом. Разрыв не происходит сразу по всему сечению, а начинается с небольшой трещины, которая углубляется, разделяет кристалл на две части. В каждый момент вся нагрузка действует только на небольшой участок около края трещины, а для этого маленького участка нагрузка достаточно велика, чтобы углубить трещину [94].
А. Гриффите [311] предложил энергетический подход к описанию хрупкого разрушения материалов. Согласно этой теории реальная прочность твердого тела в значительной мере зависит от дефектов в его структуре. К числу дефектов, связанных с нарушением сплошности, относятся микро- и макропоры, трещины. Принцип А. Гриффитса основан на том, что потенциальная энергия твердого тела, накопленная им в процессе упругого деформирования, перед разрушением превращается в поверхностную энергию образующихся новых поверхностей. Следовательно, трещина будет распространяться в том случае, если высвобожденная энергия упругих деформаций превосходит увеличение поверхностной энергии при образовании новых поверхностей [172]. В результате был получен общий критерий оценки прочности для плоского напряженного состояния: где а - размер трещины, у - свободная поверхностная энергия тела, а - приложенное напряжение, Е- модуль упругости материала. В момент потери устойчивости материала напряжение и размер трещины принимают предельные значения ас и ас.
Теория А. Гриффитса была разработана применительно к хрупким однородным материалам типа стекол. Для тел, не обладающих идеальной упругостью, образование новой поверхности при развитии трещин сопровождается остаточными деформациями, что характерно для металлов и бетона.
Дальнейшее развитие концепция А. Гриффитса получила в работах Р. Ирвина и Е. Орована [318,319,364]. Авторами предложено рассматривать энергию на образование новых поверхностей тела при разрушении как сумму истинной удельной поверхностной энергии и энергии, поглощаемой пластической деформацией (упл) в приповерхностном слое тела. В связи с этим в формуле (1.1.1.) поверхностная энергия тела 2у заменяется эффективной поверхностной энергией или энергией разрушения Gc.
Характеристика исходных материалов
Исследования прочности, трещиностойкости и долговечности проводили на бетонах различного вида и состава с учетом влияния различных факторов, таких как водоцементное отношение, возраст и степень гидратации вяжущего, количество и крупность заполнителя, условия твердения и т. д.
По мнению большинства авторов, при определении параметров трещиностойкости основным критерием, влияющим на долговечность, является структура бетона, включающая дефекты в виде пор, капилляров, трещин различных размеров и др. Структура, в свою очередь, зависит от вида и состава бетона [46]. Поэтому, выбор материалов для исследований основывался на использовании как обычных тяжелых бетонов (в некоторых случаях с использованием добавок), так и легких бетонов различного состава с наличием пор определенного размера и количества. ГОСТ 29167-91 рекомендует определять характеристики трещиностойкости только для тяжелых бетонов, исключая ячеистые. В настоящих исследованиях применяется более широкий спектр бетонов, включая плотные бетоны специального назначения, а также ячеистые бетоны с использованием пено - и газообразователей. Известно, что на изменение параметров трещинообразования и разрушения бетонов значительное влияние оказывает агрессивная среда и высокая температура. Поэтому экспериментальным исследованиям подвергались как обычный, так и жаростойкие бетоны с различным видом вяжущего. Определение параметров роста трещин осуществлялось как при испытании уже известных составов бетонов с учетом влияния различных факторов, так и вновь разработанных и запатентованных с прогнозом увеличения характеристик трещиностойкости и времени до разрушения. Увеличение количест 71 ва отходов производства алюминия, химических предприятий и продуктов, загрязняющих Волго-Ахтубинскую пойму, требует разработки новых материалов на основе техногенных отходов. При разработке новых составов бетонов были использованы: глиноземистый шлак и сернокислый шлам, химические отходы в виде поверхностно-активных веществ, сельскохозяйственные отходы кукурузы, илистые отложения р. Волги и озер Волго-Ахтубинской поймы, бишофит и другие природные и техногенные сырьевые отходы.
При изготовлении обычного тяжёлого и лёгкого бетонов в качестве вяжущего использовали портландцемент М500 Себряковского цементного завода, химический и минералогический составы которого приведены в приложении 1 (табл.1.1 и 1.2). В качестве крупного заполнителя для тяжёлых бетонов применяли щебень из гранитных и известняковых пород (приложение 1, табл. 1.3). Мелкий заполнитель представлен кварцевым песком Оленьевского карьера с модулем крупности 2,2 (приложение 1, табл. 1.4).
Связь между характеристиками структуры и механических свойств бетонов может быть построена на модели распространения микро - и макротрещин. Повышение вязкости разрушения, в значительной мере, зависит от влияния химических добавок, в частности, комплексных. Они повышают однородность структуры, одновременно снижая количество дефектов. В связи с этим, возникающие при нагружении бетона микропластические деформации развиваются в небольших объемах, не способных привести к массовому трещинообразованию. Для определения влияния добавок на структуру и параметры трещиностойкости были проведены испытания образцов из тяжёлого бетона с использованием ацетоноформальдегидных смол [194]. Аце-тоноформальдегидные (АЦФ) смолы - вязкие жидкости, содержащие до 25 % свободной воды. Благоприятное влияние щелочной среды на твердение АЦФ смол указывает на возможность их использования в бетонах. Полимер, введённый в смесь в растворённом виде, оказывает существенное влияние на процесс гидратации цемента, замедляя её и изменяя в некоторой степени состав и структуру новообразований. Это влияние тем сильнее, чем выше концентрация полимера в растворе. Для получения максимального эффекта применяли смолу в количестве 0,15 % от массы цемента в пересчёте на сухое вещество [234]. При таких расходах добавки помимо повышения прочностных свойств бетона изменяется характер его порового пространства. Поверхность открытых пор покрывается полимерной плёнкой, приобретая гидрофобные свойства [234]. В результате такой бетон с гранитным заполнителем характеризуется повышенной морозо- и коррозионной стойкостью, непроницаемостью по отношению к воде и другим органическим жидкостям. Состав бетона по массе: 1 : 1,8 : 3,65 (табл. 1.14 приложение 1). При введении АЦФ смол отмечается пластифицирующий эффект, увеличивающий подвижность бетонной смеси на (40-45) %. Это позволило при одинаковой подвижности снизить В/Ц с 0,51 до 0,43, т. е. на 21 %.
Повышенные требования к прочности и трещиностойкости предъявляются к кислотоупорным бетонам, применяемым для устройства резервуаров, ёмкостей, электролизных ванн и т.п. Проведены исследования кислотоупорного бетона, модифицированного полимерными добавками [185]. Кислотоупорные материалы изготавливают на основе кислотоупорного цемента, кремнефтористого натрия Na2SiF6 и жидкого стекла. Твердение кислотоупорного бетона происходит за счёт взаимодействия силиката натрия Na20-nSi02 с кремнефтористым натрием с образованием фторида натрия NaF и геля кремниевой кислоты SiOi-nHiO. Гель, уплотняясь, соединяет частицы наполнителя (кварца, гранита, диабаза и т.д.), придавая материалу камневидные свойства.
Выбор оптимальных методов определения вязкости разрушения бетонов
В последнее время механика разрушения материалов, основой которой является теория Гриффитса [311], получила развитие при анализе процессов разрушения твёрдых тел [112-135,207-217,258,260,263,279,280 и др.]. При этом чаще всего рассматривалось напряженное состояние материала с уже существующей трещиной, получающей развитие от действующих на него напряжений. Разрушение происходит в момент, когда трещина становится неравновесной и пересекает твёрдое тело со скоростью, близкой к скорости звука в материале, разделяя его на части. В процессе изготовления и эксплуатации гетерогенных материалов всегда имеются микро- и макротрещины, которые получают развитие под действием напряжений. Характеристиками трещиностойкости материала являются энергетический критерий Gc -эффективная энергия разрушения, а также силовой критерий К1С - критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях нормального отрыва [112] ( наиболее опасного для роста трещин).
Известны три основных метода определения трещиностойкости материалов [112-135,172,258,260,263]: прямые методы измерения энергетических и силовых параметров вязкости разрушения, а именно, энергии разрушения и коэффициента интенсивности напряжений; методы, устанавливающие корреляцию между показателями трещиностойкости и другими физико-механическими, химическими и электрическими характеристиками; методы, основанные на решении конкретных задач линейной механики разрушения. В дальнейшем, в работе применялись первые два метода, для pea 100 лизации которых были выбраны наиболее рациональные формы и размеры образцов, схемы испытаний и глубина искусственной трещины.
При определении характеристик трещиностойкости в настоящее время используются полные, т.е. с нисходящей ветвью диаграммы деформирования, полученные в условиях стабильного характера разрушения бетонов. Многочисленные исследования, проведенные с начала 60-х годов, позволили стандартизировать методы определения вязкости разрушения для бетонов [56]. Однако, требования этого документа являются рекомендательными и, как считают авторы, его нельзя использовать для ячеистых бетонов..
Для проведения равновесных испытаний и получения полных диаграмм разрушения необходимо использование специального оборудования, обеспечивающего стабильный (плавный) характер нагружения. При отсутствии этого специального демпфирующего устройства Международный Комитет по механике разрушения РИЛЕМ разработал основные рекомендации для проведения испытаний на вязкость разрушения, которые трудно реализовать, поскольку бетоны отличаются большим разбросом свойств, в частности, количеством и размером дефектов структуры.
Получение полных диаграмм деформирования и определение характеристик трещиностойкости в результате прямого испытания бетона отличается значительной трудоемкостью, определенной технической сложностью. Поэтому актуальным и перспективным является применение методов по определению зависимостей между вязкостью разрушения и, например, скоростью нагружения образцов.
При исследовании процессов разрушения цементных бетонов важным является определение длины и скорости роста трещины. Изменение этих параметров связано с неоднородностями структуры различных видов и составов бетона. Структура бетона, в свою очередь, зависит от таких факторов, как водоцементное отношение, степень гидратации вяжущего, условия твердения, температура и др.
Для регистрации длины трещины применяют следующие основные методы [172 и др.]: визуальный; фото- и киносъемка; измерение электросопротивления (образца с трещиной или тонкого слоя, наклеиваемого на образец); разрывы тонких проволочек, наклеенных на пути распространения трещины; использование красящих и легкоиспаряемых жидкостей, «загоняемых» в трещины; применение датчиков смещения, фиксирующих разность перемещений в точках, расположенных по обеим сторонам пути распространения трещины; акустический метод и др.
Рекомендуемая ГОСТ 29167-91 методика определения размеров трещины в условиях равновесных испытаний с использованием капиллярного и оптического способов имеет свои ограничения. В частности, процесс регистрации длины трещины осуществляется прерывисто в условиях поэтапного нагружения образцов с выдержками продолжительностью (60-120) с. В бетонах ввиду их конгломератной структуры, с большим количеством включений, являющихся потенциальными концентраторами напряжений [112,113 и др.], в момент выдержки процессы роста трещин могут происходить непрерывно во времени. Поэтому при испытании образцов из бетона необходимо постоянное непрерывное измерение во времени длины развивающейся трещины.
Докритический рост трещин в цементном камне, растворе и бетоне
Для оптимизации состава, структуры и механических свойств бетонов необходимо определить параметры трещиностойкости составляющих их компонентов, а именно вяжущего, вида, крупности и объемного содержания заполнителя, а также контактной зоны «матрица-заполнитель» с учетом влияния водоцементного отношения, степени гидратации вяжущего, условий твердения, повышенной температуры и других факторов. Необходимо установить связь параметров прочности и трещиностойкости со структурой бетонов. Проведенные исследования на основе комплексной оценки закономерностей трещинообразования и разрушения бетонов, включающей методы механики разрушения, прямое измерение параметров роста трещин, позволят производить подбор оптимальных составов бетонов с прогнозируемыми механическими свойствами.
Для реализации методов определения характеристик трещиностойкости согласно предложенной модели необходимо было выбрать наиболее рациональные размеры образца, создать в нем инициируемую трещину в виде надреза, глубиной, соответствующей получению постоянных параметров роста трещин. Учитывая наибольшую опасность растягивающих напряжений, была выбрана схема испытаний на трехточечный изгиб.
На основании предварительных исследований [192] получены стабильные значения параметров вязкости разрушения на образцах размерами: 40x40x160 мм и 50x50x320 мм (цементный камень и раствор), 100x100x400 мм (бетон). Глубина надреза (инициирующая трещина) была выбрана: a = 0,25 -s- 0,5 h - для цементного камня и раствора; а = 0,5 -г- 0,75 h - для бетона.
Благодаря полученным экспериментально полным с нисходящей ветвью кривым " нагрузка - деформация ", энергия разрушения образцов - Gjc определялась отношением работы (площадь диаграммы) разрушения образца - А к площади его сечения - S, по которому проходит магистральная трещина [56,112,181,309,366,391]. Расчет площади диаграммы S производился с помощью программы «Mathcad».
Наряду с энергетическим, определялся силовой критерий разрушения материала - коэффициент интенсивности напряжений, характеризующий вязкость разрушения - Кіс в условиях нормального отрыва. Согласно формулы У. Брауна - Дж. Сроули, учитывающей полную энергию разрушения -Gjc и модуль упругости материала, - Е [36]: /С = plc -Е (4.1.1)
Применение методов механики разрушения даёт возможность определить характеристики роста трещин в процессе их медленного докритическо-го развития.
Для количественной оценки структуры бетона его условно можно разделить на [59]: макроструктуру - как двухкомпонентную систему из крупного заполнителя и раствора (бетон); мезоструктуру - как двухкомпонентную систему из мелкого заполнителя и цементного камня (раствор); микроструктуру - как двухкомпонентную систему, включающую остаточные зерна цементного камня, поры и плотную структуру цементного камня. Необходимо определить влияние неоднородно стей структуры бетона на процесс развития трещин при действии нагрузки.
Для получения достоверных данных медленного роста трещин в условиях стабильного характера разрушения были проведены экспериментальные исследования цементного камня с нормальной густотой НГ = 25,8 %, цементно-песчаного раствора состава 1:3 (В/Ц = 0,48) и обычного тяжелого бетона состава 1:1,8:3,65 (В/Ц = 0,51). Возраст образцов к моменту испытаний составил 65 суток. Свойства исследуемых составов представлены в таблице 4.1.1.
Предложенная методика (см. раздел 3.3) позволяет на образцах стандартных размеров одновременно получить полную диаграмму деформирования и зависимость скорости роста трещины V от коэффициента интенсивности напряжений К].
В результате проведенных экспериментов (рис.4.1.1 и табл.2.3 приложения 2) получены уравнения и соответствующие им графики зависимости скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений.
Независимо от состава и размеров образцов уравнения V-Ki имели степенную зависимость, что подтверждается экспериментальными данными ряда исследований [263,268,269].
