Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи работы 11
1.1. Обзор исследований термостойкости бетонов 11
1.2. Обзор исследований общих закономерностей трещиностойкости и долговечности бетонов 22
1.3. Цель и задачи работы 41
1.4. Выводы по главе 43
2. Методики определения влияния нагрева на сорбционные свойства и характеристики пористой структуры бетонов 45
2.1. Сорбционные свойства 45
2.1.1. Основные положения и методика исследований 45
2.1.2, Экспериментальные данные 49
2.2. Удельная поверхность 52
2.3. Интегральная и дифференциальная пористость 58
2.4. Определение параметров структуры и пористости бетонов в зависимости от температуры нагрева 65
2.5. Определение прочности, модуля упругости и основных характеристик трещиностойкости обычных и жаростойких бетонов 68
2.6. Методика математического планирования эксперимента 70
2.7. Планирование эксперимента в работе 75
3. Разработка теоретических основ, испытательного оборудования и методики испытаний образцов из бетона на трещиностойкость 78
3.1. Понятие «модуль хрупкости», уточнение понятия «хрупкость» 78
3.2. Модель механизма аккумулирования поверхностной энергии 80
3.3. Реологическая модель разрушаемого образца 93
3.4. Расчетная модель испытательных систем 98
3.5. Упрощенный анализ возможности стабильного разрушения образцов ,. 103
3.6. Определение интегральной жесткости испытательной машины Ки 112
3.6.1. Определение м с помощью автономного силовозбудителя 113
3.6.2. Определение JvM по результатам неравновесного разрушения образца . 115
3.6.3. Определение Кк с помощью устройства со срезаемой шпонкой 1)6
3.7. Разработка испытательного оборудования и методики эксперимента 117
3.7.1. Разработка стенда с упругим кольцевым элементом противодавления . 118
3.7.2. Разработка методики проведения эксперимента 124
3.7.3. Разработка стенда с элементом противодавления в виде скобы 129
3.7.4. Стенд с составным кольцевым элементом противодавления 131
Заключение
- Обзор исследований термостойкости бетонов
- Обзор исследований общих закономерностей трещиностойкости и долговечности бетонов
- Основные положения и методика исследований
- Понятие «модуль хрупкости», уточнение понятия «хрупкость»
Введение к работе
Актуальность работы. Максимальная прочность применяемых бетонов за последние 25 лет возросла более чем в 2,5 раза [1]. Достигнутые в бетонове-дении за последние десятилетия успехи позволили говорить о возможности синтеза и конструирования структур бетонов нового поколения со значительно улучшенными показателями, такими как прочность, трещиностойкость, долговечность, коррозионная стойкость, морозостойкость и т.д. [2]. Это позволяет утверждать, что бетон и железобетон в обозримом будущем останется одним из основных конструкционных строительных материалов, применение которого наиболее целесообразно в транспортном и энергетическом строительстве, сооружениях инженерно-экологических систем и в несущих конструкциях гражданских и промышленных зданий.
Важными являются и задачи повышения огнестойкости гражданских зданий и сооружений, содержащих конструкции из бетона, а также улучшения характеристик жаростойких бетонов и конструкций из них. Это дает возможность снизить их стоимость, уменьшить продолжительность возведения, повысить надежность и долговечность, а также значительно сэкономить топливно-энергитические ресурсы как за счет уменьшения количества швов в ограждающих конструкциях по сравнению со штучной огнеупорной кладкой и, соответственно, уменьшения теплопотерь, так и за счет совмещения этапов сушки и обжига жаростойких бетонов в процессе вывода теплотехнических сооружений на рабочий режим [3].
Жаростойкие бетоны и конструкции из них применяются при строительстве туннельных печей и футеровке вагонеток на предприятиях строительных материалов, фундаментов под промышленные печи и дымовые трубы, боровов и дымовых труб, коксовых батарей, полов горячих цехов промышленных предприятий и т.п. Считается, что жаростойким бетоном можно заменить до 50% применяемых в настоящее время мелкоштучных огнеупорных материалов.
В научных исследованиях и инженерной практике все шире используются методы исследования стойкости бетонов, арматуры, железобетонных конструкции и других материалов при различных видах воздействии, основанные на применении энергетических гипотез. В последние годы интенсивно разрабатываются методы оценки малоцикловой усталости бетона, уровня длительной прочности и меры ползучести, стойкости к циклическому замораживанию-оттаиванию на основе энергетических критериев. Энергетический подход предопределяет актуальность исследований общих закономерностей деформирования материалов и количественной оценки основных констант деформирования, используемых в уравнениях механического состояния, от ре-цептурно-технологических факторов [1]. Разработка методов оценки трещино-стойкости бетонов имеет большое народнохозяйственное значение, так как на строительство и ремонт зданий и теплотехнических агрегатов, подвергаемых действию повышенных и высоких температур, затрачиваются значительные материальные средства.
Диссертационная работа выполнена в рамках НИР Волгоградского Государственного Архитектурно-строительного университета: № 77/85 «Исследование влияния условий пожара на энергию разрушения бетона и рекомендации по ее оценке» с НИИЖБ (№ гос. регистрации 01850036984), № 3/87 «Трещиностойкость, пористая структура наружного защитного слоя железобетонных труб и рекомендации по ее оценке» с НИИЖБ (№ гос. регистрации 01870026912), а также НИР 2.1-91 программы ГКН и ВШ РСФСР «Строительство» «Разработка теории и методов определения характеристик трещиностой-кости и долговечности бетонов».
Цель диссертационной работы заключается в исследовании влияния нагрева на изменение характеристик капиллярно-пористой структуры и тре-щиностойкости обычного и жаростойких бетонов, развитии на основе проведенных исследований системы контроля и оценки качества бетона путем совершенствования методов оценки характеристик трещиностойкости, получении практических рекомендаций по улучшению этих характеристик и внедрении результатов исследований в практику строительства. Основные задачи исследований:
- Исследование влияния технологических факторов на сорбциоиыые свойства и параметры капилярно-пористой структуры обычного и жаростойких бетонов при нагреве.
- Исследование изменения характеристик напряженно-деформированного состояния бетона в зависимости от вида жаростойкого бетона, его структуры, скорости нагрева, а также определение причины изменения трещиностошсости, появления дефектов или хрупкого разрушения бетонов при их сушке и первом разогреве до 800°С.
- Уточнение теоретических положений, а именно, понятия хрупкости твердого тела, физической сущности поверхностной энергии твердых тел, создание реологической мо-дйта твердого тела, разрушаемого при кратковременных квазистатических испытаниях, разработка расчетной модели испытательной системы с элементом противодавления, критерия обеспечения полностью равновесного разрушения в виде условия превышения жесткости элемента противодавления Кщ, хрупкости образца Х & (А"11р Х методики для определения жесткости испытательных машин.
- Разработка и создание комплекса лабораторных испытательных установок с элементами противодавления для получения полностью равновесных диаграмм деформирования образцов из бетона при растяжении изгибом и при сжатии.
- Разработка образцов из бетона для определения характеристик трещиностойкости при испытаниях на сжатие.
- Разработка методики анализа полностью равновесной диаграммы деформирования хрупкого материала, соответствующего концепции Гриффитса об участии накопленной потенциальной энергии в разрушении, с выделением диаграмм упругого Ry(f) и диссипа-тивного сопротивлений Кдф, а также исследование закономерностей равновесного разрушения бетона,
- Разработка на основе проведенных исследований рекомендаций по про ведению испытаний цементных бетонов, анализа их результатов и повышению трещиностойкости бетонов при высокотемпературном воздействии.
-Разработка предложений по совершенствованию ГОСТ29167-91 (2003) «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» [4]. - разработанная методика анализа полностью равновесных диаграмм деформирования с выделением диаграмм упругого Ry(f) и диссипативного Rd(f) сопротивлений является новым механизмом исследования характеристик тре-щиностойкости, позволяющим, в частности, по характерным изменениям диаграммы Ry(fj точно определять моменты начальной локализации, торможения и окончательной локализации магистральной трещины;
- выявленные закономерности деформирования бетонов при нагреве позволяют глубже понять процессы, протекающие в разрушаемом материале, и наметить пути совершенствования рецептурных и технологических факторов.
Реализация работы. Результаты исследований и разработок были использованы в «Рекомендациях по определению энергии разрушения бетона», «Рекомендациях по оценке характеристик пористой структуры и трещиностойко-сти наружного слоя железобетонных труб», «Разработке теории и методов определения характеристик трещиностойкости и долговечности бетонов», а также при разработке ГОСТ 29167-91 (2003) «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом на-гружении». Работа автора «Повышение трещиностойкости и долговечности жаростойких бетонов» демонстрировалась на постоянной выставке работ АН СССР «Жаростойкие неорганические материалы», о чем выдано свидетельство «Участник ВДНХ СССР» № 21257 (Постановление Главного комитета ВДНХ СССР от 10/XI-852. № 805-Н-Приложение 1).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в научных журналах и доложены на международных и республиканских научных конференциях: журналах «Изобретатель и рационализатор», Москва, 1985г., «Заводская лаборатория», Москва, 1985г., «Вестник ВолгГАСУ», Волгоград, 2006г.; ежегодных науч.-техн. конференциях Волг-ГАСА; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и стройиндустрии», Тула, 2001г.; международной научно-технической конференции «Современные проблемы фундаментострое-ния», Волгоград, 2001, 2005г.г.; Той международной конференции «Социально экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», Тула, 2003г,; международной науч.-техн. конф. «Восьмые академические чтения РААСН», Самара, 2004 г.; международных науч.-техн. конференциях «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», Волгоград, 2000-2005г.г.; международных науч.-техн. конференциях «Городские агломерации на оползневых территориях», Волгоград, 2003-2006 г.г,; Второй Всероссийской науч.-техн. конференции «Наука, техника и технология XXI века» (НТТ-2005), Нальчик, 2005г., а также в ГОСТ 29167-91 (2003) [4].
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 42 печатных работах (общим объемом не менее 40 уел, п. л., из которых лично автору принадлежит не менее 18,5 усл. п. л.), в том числе в монографии «Теоретические и методологические вопросы определения трещиностойкости бетона при статическом нагружении», Волгоград, 2005г., объемом 23,9 усл. п. л. По теме диссертации получено 10 удостоверений на рационализаторские предложения, 5 авторских свидетельств СССР и 4 патента РФ на изобретения. Одно рационализаторское предложение и два изобретения реализованы в ГОСТ 29167-91 (2003) «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» [4].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 212 страницах машинописного текста, включающего 20 таблиц, 84 рисунка, библиографию из 234 наименований.
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете. на положениях статистической (Н.Н. Афанасьев, С.Д. Волков, Л.Г. Седракян) и термофлуктуационной (СИ. Журков, В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Тома-шевский, СБ. Ратнер, В.П.Ярцев) теорий прочности. Особый вклад в развитие теории повышения прочности, трещиностойкости и долговечности бетона внесли Берг О.Я.[5, 6], Скрамтаев Б.Г. [7], Журков С.Н. [8], Баженов Ю.М. [9, 10, П], Ахвердов И.Н. [12], Гвоздев А.А.[13, 14], Зайцев Ю.В. [15, 16, 17, 18], Карпенко Н.Щ19], Панасюк В.В. [20, 21], Грушко И.М. [22, 23, 24], Эванс А. Г.[25, 26], Виттман Ф. [27], Миндесс С. [28], Видерхорн СМ. [29],Каплан М.[30], Браун У. иСроули Дж. [31], Хиллеборг А. и Петерсон П.Е. [32].
Это в полной мере относится как к обычным бетонам, так и к бетонам, работающим в экстремальных условиях воздействия высоких температур -жаростойким бетонам. Первая работа по изучению воздействия высоких температур на свойства бетона была выполнена в России еще в 1903 г. И.А. Жит-кевичем [33], показавшим, что термостойкость бетона может быть существенно повышена при использовании в качестве заполнителей материалов, прошедших предварительный обжиг. В 1911 г. М. Гари исследовал свойства бетона после пожара. Установлено снижение прочности бетона с известняковым заполнителем на 60%, с заполнителями из шлака и пемзы - на 40-50% и из гранита - на 20-25%. Прочность бетона с базальтовым заполнителем оказалась несколько выше, чем до огневого воздействия. Сравнительная оценка влияния высоких температур на свойства бетона на портландцементе и глиноземистом цементе была произведена в 1927 г. А. Миллером и Г. Фолкнером [34]. При нагреве до температуры 926°С установлено, что потери в весе за счет удаления влаги из бетона на глиноземистом цементе были выше, чем у бетона на портландцементе. При температуре нагрева до 593°С остаточная прочность бетона на портландцементе была выше, чем у бетона на глиноземистом цементе, а после нагрева до температуры 760°С остаточная прочность бетона на глиноземистом цементе выше, чем бетона на портландцементе. Возможность создания жаростойких бетонов впервые была установлена В.М. Москвиным в 1934 г. [35], а К.Д. Некрасовым разработаны составы жаростойких бетонов на порт 14 взамен штучных огнеупорных материалов. Имеющиеся нормативные документы, в основном, учитывают многообразие различных факторов, влияющих на изменение жаростойкости бетонов.
В работах 2-ой группы изучали влияние начальной влажности, структуры бетона, условий нагрева и нагружения на изменение температурно-влажностных полей и напряженно-деформированное состояние крупноразмерных бетонных элементов [55, 56, 57, 58, 59].
В работах 3-ей группы показаны возможности определения и контроля склонности бетона к хрупкому разрушению, физические модели процесса разрушения влажного бетона при нестационарном нагреве, вероятностный подход к разрушению бетона при пожаре, а также использованы методы механики разрушения для анализа процесса разрушения жаростойких и обычного бетонов при нагреве [60, 61, 62,63,64].
По своим техническим и экономическим показателям жаростойкие бетоны в большинстве случаев более эффективны, чем штучные огнеупорные изделия [37, 65, 66], что обуславливает их применение в тепловых агрегатах.
Жаростойкий бетон представляет собой искусственный материал, состоящий чаще всего из затвердевшего вяжущего (цементного камня), мелкого и крупного заполнителей и тонкомолотых добавок (ТМД).
Обзор исследований термостойкости бетонов
Это в полной мере относится как к обычным бетонам, так и к бетонам, работающим в экстремальных условиях воздействия высоких температур -жаростойким бетонам. Первая работа по изучению воздействия высоких температур на свойства бетона была выполнена в России еще в 1903 г. И.А. Жит-кевичем [33], показавшим, что термостойкость бетона может быть существенно повышена при использовании в качестве заполнителей материалов, прошедших предварительный обжиг. В 1911 г. М. Гари исследовал свойства бетона после пожара. Установлено снижение прочности бетона с известняковым заполнителем на 60%, с заполнителями из шлака и пемзы - на 40-50% и из гранита - на 20-25%. Прочность бетона с базальтовым заполнителем оказалась несколько выше, чем до огневого воздействия. Сравнительная оценка влияния высоких температур на свойства бетона на портландцементе и глиноземистом цементе была произведена в 1927 г. А. Миллером и Г. Фолкнером [34]. При нагреве до температуры 926С установлено, что потери в весе за счет удаления влаги из бетона на глиноземистом цементе были выше, чем у бетона на портландцементе. При температуре нагрева до 593С остаточная прочность бетона на портландцементе была выше, чем у бетона на глиноземистом цементе, а после нагрева до температуры 760С остаточная прочность бетона на глиноземистом цементе выше, чем бетона на портландцементе. Возможность создания жаростойких бетонов впервые была установлена В.М. Москвиным в 1934 г. [35], а К.Д. Некрасовым разработаны составы жаростойких бетонов на портвзамен штучных огнеупорных материалов. Имеющиеся нормативные документы, в основном, учитывают многообразие различных факторов, влияющих на изменение жаростойкости бетонов.
В работах 2-ой группы изучали влияние начальной влажности, структуры бетона, условий нагрева и нагружения на изменение температурно-влажностных полей и напряженно-деформированное состояние крупноразмерных бетонных элементов [55, 56, 57, 58, 59].
В работах 3-ей группы показаны возможности определения и контроля склонности бетона к хрупкому разрушению, физические модели процесса разрушения влажного бетона при нестационарном нагреве, вероятностный подход к разрушению бетона при пожаре, а также использованы методы механики разрушения для анализа процесса разрушения жаростойких и обычного бетонов при нагреве [60, 61, 62,63,64].
По своим техническим и экономическим показателям жаростойкие бетоны в большинстве случаев более эффективны, чем штучные огнеупорные изделия [37, 65, 66], что обуславливает их применение в тепловых агрегатах.
Жаростойкий бетон представляет собой искусственный материал, состоящий чаще всего из затвердевшего вяжущего (цементного камня), мелкого и крупного заполнителей и тонкомолотых добавок (ТМД).
В качестве вяжущих для жаростойких бетонов используют фосфаты и магнезиальные связующие, вяжущее на жидком стекле, глиноземистый и высокоглиноземистый цементы, портландцемент и шлакопортландцемент. Они обладают достаточной огнеупорностью и обеспечивают химическую стойкость цементного камня в агрессивных средах [67, 68, 69, 70, 71].
Данные приведенной классификации позволяют с достаточной достоверностью выбрать тип вяжущего для конкретных нужд производства. Преимуществом использования высокоглиноземистого (ВГЦ) и глиноземистого цемента (ГЦ) для производства жаростойких бетонов является не только их стойкость к агрессивным средам и огнеупорность, находящаяся в пределах 1450.... 1670 С, но и отсутствие образования оксида кальция при их гидратации, в связи с чем отпадает необходимость введения тонкомолотых добавок (ТМД) для связывания свободного оксида кальция при нагревании бетона. Одним из широко используемых в качестве вяжущих материалов является портландцемент (ГГЦ). Но огнеупорность цементного камня недостаточно высокая, поэтому для ее повышения необходимо вводить тонкомолотые добавки. Назначение ТМД в жаростойком бетоне заключается в том, что она связывает свободный оксид кальция при нагреве выше 600 - 800С в безводные силикаты и алюминаты кальция, уменьшает усадку цементного камня при нагревании и способствует повышению прочности бетона в процессе высушивания при Ю0...200С [72]. В качестве тонкомолотых добавок применяются порошки шлаков, керамзита, вермикулита, шамота, динасового кирпича, золы, вторичные огнеупоры и т.д. [71, 73, 74, 75].
В работах [61, 76] показано, что при сушке и первом нагреве жаростойких бетонов за счет испарения влаги в их структуре возникает повышенное давление паров воды, которое является одной из возможных причин растрес кивания или разрушения бетона. Кроме того, при нагреве и остывании крупноразмерных бетонных элементов в них появляются собственные температур-но-влажностные напряжения. В результате в бетоне при изменении температурного режима из-за напряженного состояния могут появиться микро- и макротрещины или он может полностью разрушиться в виде взрыва. Нарушение конгломератной, капиллярно-пористой структуры бетона при его нагреве и остывании оказывает влияние на физико-механические и теплофизические свойства бетона: уменьшается прочность, возрастает деформативность, снижается долговечность. Нагрев вызывает также дополнительную гидратацию в компонентах бетона, дегидратацию и реакции в твердой фазе. Массообмен, напряжения, возникающие в структуре бетона, связаны друг с другом и влияют на его сушку и нагревание.
Исходя из экономических соображений желательно, чтобы длительность режимов сушки и первого разогрева бетона были минимальными, но вместе с тем учитывали бы процессы, происходящие в жаростойких бетонах при нагреве и гарантировали длительную эксплуатацию сооружений при заданных температуре и нагрузке [77, 78]. Трещины в жаростойком бетоне возникают не только от давления паров воды и их фильтрации в сторону нагреваемой поверхности бетона, но также из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения матрицы и заполнителя, а также из-за разницы температурных и влажностных деформаций при высоких значениях температурного градиента по толщине изделий [76]. В.В, Жуковым установлено [43], что наиболее опасными являются структурные напряжения от фильтрации пара и собственные сжимающие напряжения со стороны нагреваемой поверхности бетона. При выборе или назначении режима сушки и первой выводки тепловых агрегатов на рабочий режим для предотвращения растрескивания или разрушения бетона необходимо обеспечить ограничение напряжений путем подбора скорости нагрева бетона по толщине элементов соответственно изменяющимся свойствам бетона при данной температуре.
Обзор исследований общих закономерностей трещиностойкости и долговечности бетонов
Структура бетона характеризуется большим количеством дефектов (микро- и макропоры, микротрещины, вид заполнителей и др.), обусловленных видом и составом бетона, а также технологией его приготовления. Под действием нагрузки в окрестности таких дефектов происходит значительная концентрация напряжений, вызывающих рост уже имеющихся и зарождение, развитие новых трещин. Теоретическую оценку прочности твердого тела можно получить из анализа сил межатомного взаимодействия. Теоретическая прочность твердых тел примерно на два десятичных порядка выше их реальной прочности [96]. Как указано выше, объяснение этим несоответствиям для хрупких тел впервые было дано А. Гриффитсом [91]. В результате был получен критерий оценки прочности хрупкого тела с трещиной
V ЇЇ-а где а - размер трещины, 2у - свободная поверхностная энергия тела, и - разрушающее напряжение, Е - модуль упругости материала, В момент потери устойчивости напряжение и длина трещины принимают критические значения ос и ас (в условиях нормального отрыва соответственно о"іс и Й:С) Теория Гриффитса была разработана применительно к хрупким однородным материалам и основана на некоторых упрощающих гипотезах: - предполагается, что трещина является неподвижной до достижения нагрузкой некоторого критического значения; - принята прямая зависимость между длиной трещины и энергией, расходуемой на образование новых поверхностей; - предполагается, что область релаксации около круговой трещины, из которой происходит выделение упругой энергии, представляет собой сферу, а в случае растяжения пластины с центральной трещиной, которая примерно перпендикулярна действующим в пластине напряжениям, область релаксации представляет собой круг, радиус которого равен полудлине трещины; - предполагается, что теория не может объяснить существование трещин меньше критической длины [97], следовательно, физический смысл трещины до настоящего времени не вполне ясен.
Структура бетона имеет множество дефектов, которым относятся как дефекты матрицы в виде пор, капилляров, трещин, так и наличие пограничного слоя между материалом матрицы и заполнителем. По данным Г.В. Несве-таева, толщина этого слоя составляет 30 - 160 мкм и его характеристики (предел прочности, модуль упругости) порой резко отличаются от таких же характеристик материала матрицы [1],
Для оценки трещиностойкости в механике разрушения используются также такие параметры, как удельная энергия образования новых поверхностей у, величина критического раскрытия трещины ос, освобождающаяся энергия при подрастании трещины -/-интеграл, и т.д. Как указывает Г.П. Черепанов [100], величину у только по традиции называют поверхностной энергией - на самом деле она представляет собой необратимую работу (на единицу площади), так как трещины всегда необратимы. Для её обозначения применяются также следующие термины: удельная энергия диссипации, энергия разрушения, эффективная поверхностная энергия, скорость освобождения упругой энергии (последний термин для величины, равной 2у).
И.М. Грушко с соавторами в работах [22, 23, 24] показали возможность объединения энергетической (А. Гриффите) и кинетической (С.Н. Журков) теорий в единую обобщенную теорию прочности квазихрупких неоднородных материалов и определения на ее основе длительной прочности 7?лл и долговечности т бетона. Процессы структурообразования и деструкции, протекающие в бетоне, в основе своей могут быть рассмотрены с точки зрения кинетической теории, Действительно на диаграмме разрушения (рис. 1.4) при нагрузках а 1.1 R№ имеет место линейная зависимость долговечности от уровня приложенных напряжений, т.е. соблюдаются условия уравнения (1.6) кинетической теории прочности. При о 1.1 RM наблюдается заметное отклонение от линейной зависимости, а при снижении а до некоторого критического значения диаграмма о - lg т оказывается параллельной оси времени, что свидетельствует о существовании предела длительной прочности, по крайней мере, в условиях неагрессивных сред. Полученные значения предела длительной прочности для обычных бетонов составляют 0.75 - 0.9 от прочности бетона іст, полученной при стандартных условиях испытаний.
Основные положения и методика исследований
Структурные характеристики цементного камня и бетона определяются на основе метода капиллярной конденсации по сорбции паров воды и насыщению материала водой под вакуумом. Формулы для вычисления удельной поверхности и пористости получены па основе модели Т. Пауэрса [153, 154], в основу которой положены следующие допущения. 1. При полной гидратации В11/Ц=0,25, где Вн /Ц - количество неиспаряе-мой (химически связанной) воды к моменту испытаний. 2. Удельный объем неиспаряемой воды составляет 75% от объема воды в свободном состоянии. 3. Вес воды в цементном геле достигает 15% от веса гидр атир о ванн ого цемента. 4. Удельный объем воды в цементном геле составляет 90% от объема воды в свободном состоянии. 5. Водоотделение не происходит. Из п.п.1 и 3 следует, что при В/Ц 0,4 полная гидратация цемента не происходит. Степень гидратации вяжущего определяется по формуле а = Вн/В", при этом В"/Ц = 0,2 - количество неиспаряемой воды при полной гидратации.
На основании данных сорбционных измерений могут быть определены влажность и другие взаимосвязанные свойства бетонов, а также изменение их пористой структуры в зависимости от температуры нагрева материала. Количество сорбционной влаги в единице массы бетона а =/(?, Т), где Р - равновесное давление и Т - температура адсорбата, определяли из изотерм адсорбции и десорбции а =/(Р) при Т = const. Для обеспечения дифференцирования влажности у образцов-близнецов использовали специальные климатические камеры-боксы с насыщенными растворами различных солей, обеспечивающи ми в каждом боксе постоянную и вполне определенную влажность- Контроль влажности в камерах-боксах вели датчиками влажности и одновременно по температуре сухого и мокрого термометра. Исходной точкой при построении изотерм является масса сухого материала.
При сушке цементного камня трудно отделить адсорбционно-связанную воду от химически связанной. Понятие «сухой цементный камень» условно и согласно [154] воду в цементном камне или бетоне удобно разделить на испаряемую и неиспаряемую. Удаление испаряемой воды можно производить при нормальной температуре над Mg(C104)2 (2-4)H20 (удаление испаряемой влаги при давлении паров воды 8-10" мм рт. ст. часто называют «Р»-сушкой), сублимацией в вакуумной установке, предусматривающей охлаждение ловушки -влагоу ловителя над сухим льдом при t = -79С (давление паров воды 5-Ю" мм рт. ст. - так называемая «Д»-сугдка) или в сушильном шкафу при t = 105С. Сопоставление методов показало [155], что количество неиспаряемой воды, остающейся в материале в результате «Д» - сушки или сушки при температуре 105С, примерно на 10% ниже, чем при «Р» - сушке. Сушка при 105С приводит к изменению сорбционных характеристик материала, а при «Р» - сушке возможна дополнительная гидратация цемента, особенно в образцах с низкой степенью гидратации. Принятая нами методика сушки «Д» - методом (рис. 2.1), позволяет сократить сроки сушки до 4-5 дней, а также более точно осуществлять контроль упругости паров воды в эксикаторе с материалом. Преимущества сушки сублимацией также отмечается в работах [156].
Принятый для исследований бетон предварительно нагревали до температур 105, 300 и 800С. Скорость подъема температуры 100Свчас, выдержка при заданной температуре 72 часа, охлаждение со скоростью 40С. Готовили две серии навесок по 30 - 50 г. Одну серию использовали для получения данных адсорбции, а другую - десорбции. Точку на кривых десорбции (P/Ps = 0,98) получали после предварительного насыщения бетона влагой под вакуумом (10" мм рт. ст.). Сушку образцов для получения исходной точки на кривой адсорбции-для бетона, не подвергавшегося нагреванию, а также определе ние равновесной влажности (количество испаряемой влаги) при всех принятых значениях (P/Ps) вели «Д»-методом.
Для цементного камня и бетона характерны изотермы 2 группы. При этом расчет удельной поверхности цементного камня из изотерм по парам воды дает значительно большую величину, чем из изотерм по адсорбции азота.
При этом образуются мениски в порах диаметром около 3-10"9м за счет заполнения конденсированной влагой гелевых пор цементного камня. Установлено, что для изотерм всех исследованных составов бетонов и крупного заполнителя характерен гистерезис. Причем, чем мельче поры в материале, тем раньше начинается капиллярная конденсация, и петля гистерезиса смещается в сторону меньших давлений. Результаты сорбционных измерений, выраженные графически в виде кривых «адсорбция - десорбция» дают возможность не только количественно оценить характеристики пористой структуры материала: удельную поверхность, интегральную и дифференциальную пористость, площадь поверхности пор и другие характеристики, а также получить данные о геометрической форме порового пространства. Де Бур [159] дал классификацию, включающую 5 типов гистерезиса, по которым можно судить о конфигурации пор и капилляров в материале. Исследования по влиянию геометрии пор на сорбционные изотермы приведены также А.В. Киселевым, Б.Г. Аристовым и другими исследователями.
Природа сорбционного гистерезиса здесь не рассматривается. Однако, так как относительное давление, соответствующее данной адсорбции, ниже ветви десорбции, то на основании общих термодинамических соображений следует, что химический потенциал адсорбата также ниже. В связи с этим ветвь десорбции, как отмечает ряд авторов [160], больше отвечает условию истинного равновесия. Поэтому для расчета характеристик пористой структуры бетонов были использованы десорбционные ветви изотерм. 2.1.2. Экспериментальные данные
Понятие «модуль хрупкости», уточнение понятия «хрупкость»
В настоящее время хрупкость определяется как отсутствие пластичности при разрушении, в то время как пластичностью называют свойства тела изменять свою форму под действием внешней нагрузки и сохранять ее после снятия нагрузки [5 88]. Такое определение хрупкости применимо на бытовом уровне, однако при научном исследовании процессов разрушения хрупких материалов желательно иметь критерий хрупкости, допускающий измерение этого параметра. Пластические свойства материала проявляются главным образом на стадии предразрушеиия, до достижения предела прочности, в то время как ту или иную степень хрупкости материал проявляет в процессе собственно разрушения, в стадии потери несущей способности. В настоящее время известны критерии хрупкости, определяемые по параметрам восходящей ветви диаграмм деформирования [189, 190], или по косвенной характеристике - критической (характеристической) длине трещины /с (2.25), обозначаемой в ГОСТ 29167 как критерий хрупкости xV Однако желательно обеспечить измерение хрупкости бетона в абсолютных единицах, характеризующих собственно процесс разрушения.
Заметим, что характер полностью равновесной диаграммы деформирования бетона весьма напоминает характер кривых зависимости сил межатомного взаимодействия в функции от межатомного расстояния. Типичная кривая представлена на рис, 3.1 [115, 191], При этом возможность одновременного представления кривой как в координатах «нагрузка - удлинение» F - ДІ или «нагрузка - прогиб» F -/, так и в координатах «напряжение - деформация» а -г , обеспечена либо выполнением линейных размеров образца единичными, либо пересчетом полученных значений по известным формулам. Сходство кривых не ограничивается только внешними признаками.
изучении и проектировании современных бетонов. «Вопросы нанотехнологии бетона и его структуры в современном понятии должны базироваться на науке о поверхности, Поверхность, будь то поверхность элементов металла или минеральной дисперсии с учётом реальных центров активности следует рассматривать как особое состояние структуры со своей химией» [196].
Одной из важнейших характеристик поверхности твердых тел является поверхностная энергия. Объяснения физической природы поверхностной энергии твердых тел пока нет, В связи с этим представляется целесообразной попытка объяснения физической природы поверхностной энергии твердых тел на примере кристаллов простой кубической формы.
Считается, что объяснение механических, электрических, тепловых и других свойств твердого тела возможно только на основе квантовой механики [188]. Однако на начальном этапе представляется целесообразным не рассматривать корпускулярно-волновую природу микрочастиц, а руководствоваться упрощенным механистическим представлением об их взаимодействии, полагая, что математические соотношения не зависят от масштаба рассматриваемых явлений. Если признать справедливым замечание проф. Е.М. Морозова, согласно которому «во всяком реальном успехе познания природы мы сталкиваемся с нечувствительностью к всегда имеющимся скрытым от нас деталям и механизмам» [197], то именно такой подход может оказаться плодотворным.
Поверхностной энергией называется избыток энергии поверхностного слоя на границе раздела фаз по сравнению с соответствующей объемной энергией самих фаз, обусловленный различием межмолекулярных взаимодействий в обеих фазах [188]. У жидкостей поверхностная энергия внешне проявляет себя в поверхностном натяжении, вызывающем формирование сферической формы некоторого объема жидкости при отсутствии или относительно малой величине внешних сил (например, силы тяжести). В отличие от жидкостей, внешние проявления существования поверхностной энергии у твердых тел обнаружить практически невозможно в силу высокой жесткости их структуры. Наличие поверхностной энергии у у твердых тел предположил в 1920 г. Гриф фите [91]. На основании этого предположения им был предложен энергетический подход к расчету критической длины трещины в хрупком материале при действующем в нем равномерно распределенном растягивающем напряжении. Такой подход является до настоящего время одним из наиболее эффективных подходов в механике разрушения. Как указывает Черепанов Г.П. [100], в этом смысле механика хрупкого разрушения, основанная, по существу, на теории Гриффитса, занимает в механике разрушения место, аналогичное тому, которое занимает теория упругости в механике твердого деформируемого тела.
Поверхностная энергия численно равна работе, затраченной на разрыв межатомных связей для образования двух новых поверхностей трещины [18]. Другими словами она равна работе, затраченной на образование новых поверхностей при идеально хрупком разрушении твердого тела [198].
Как известно, структура твердых тел обладает определенной жесткостью ориентации межатомных связей. То есть, схематически небольшой кристалл можно изобразить в виде решетки с жесткими узлами (рис. 3.2, а). Однако такое схематическое изображение малоэффективно, так как у инженеров ассоциируется с абсолютно жесткой структурой. Для анализа возможностей деформации кристаллической решетки целесообразно изображение межатомных связей в виде пружин, как это принято в настоящее время. Более наглядной была бы структура с деформируемыми диагональными связями, также изображенными в виде пружин (рис. 3.2, б), Диагональные упругие связи указывают на определенную жесткость ориентации коротких ортогональных связей, поэтому с этой точки зрения такой подход правомерен. Но изображение пружин технически сложно. Кроме того, большое количество пружин загромождает рисунок. Поэтому структуру кристалла целесообразно изображать ортогональными и диагональными прямыми линиями, подразумевая их упругость в осевом направлении (рис. 3.2, е).
Такое схематическое изображение продуктивно. В частности, анализ векторов сил, действующих по диагоналям кристалла, показывает, что при сжатии твердого тела оно необходимо приобретает поперечное расширение с явно выраженной «бочкообразностью», а при растяжении уменьшается в поперечном сечении с образованием явно выраженной «шейки» (рис. 3.2, г и д).
Однако основное преимущество такой графической интерпретации заключается в возможности предположения, что диагональные связи в кристаллических решетках действительно существуют. Это предположение, в свою очередь, позволяет построить физическую модель механизма концентрации избыточной энергии в поверхностном слое относительно объемной ее концентрации в твердом теле.
Рассмотрим наиболее простой случай с кристаллом гипотетического металла, имеющего кубическую кристаллическую решетку. Как известно, абсолютно одинаковые положительно заряженные атомы в металле взаимодействует друг с другом посредством отрицательно заряженного «электронного газа». Очевидно, не существует причин, побуждающих их взаимодействовать только с одним ближайшим атомом и «отказаться» от взаимодействия с дру ных значениях аиЬ, обеспечивает характер кривых F(r), соответствующий реальному характеру сил межатомного взаимодействия.
Похожие диссертации на Основные закономерности деформирования обычного и жаростойких бетонов при нагреве
