Содержание к диссертации
Введение
1. Бетон как композиционный материал, особенности его работы и разрушения 15
2. Применение механики разрушения для прогнозирования поведения бетона 43
2.1. Исследование процессов разрушения бетона циклическим замораживанием 44
2.2. Исследование процессов разрушения бетона растягивающими и изгибающими нагрузками 55
2.3. Анализ кинетических характеристик процессов разрушения бетона 66
2.4. Поверхностная энергия бетона и способы ее определения 72
2.5. Коэффициент сцепления первого рода механики разрушения бетона и его чувствительность к действию влаги 96
Выводы 101
3. Морозостойкость бетона и применение акустических методов для определения деструкции бетона 104
3.1. Определение физико-механических характеристик бетона акустическими методами 104
3.2. Определение морозостойкости бетона по совокупности параметров акустической эмиссии, сопровождающей процессы трещинообразования в бетоне 115
3.3. Определение морозостойкости бетона по совокупности начальных физико-механических характеристик и кинетических параметров 128
3.4. Морозостойкость бетона, определяемая косвенным методом в конструкциях и изделиях 139
Выводы 149
4. Прогнозирование трещиностойкости бетона, работающего в условиях силового загружения 150
4.1. Прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе, определяемые по совокупности начальных физико-механических характеристик бетона 151
4.2. Определение прочности на осевое растяжение и растяжение при изгибе бетона с учетом кинетики силового загружения 157
4.3. Прогнозирование уровня разрушения бетона в реально эксплуатируемых конструкциях методом регистрации параметров акустической эмиссии 160
Выводы 165
5. Трещиностойкость бетона и параметры трещинообразования, определяемые акустическими методами 167
5.1. Определение площади поверхности разрушения бетона при внешнем воздействии по энергии импульсов акустической эмиссии 169
5.2. Трещиностойкость бетона, оцениваемая по энергии импульсов акустической эмиссии, сопровождающей процесс высыхания 172
Выводы 176
6. Использование акустических методов для оценки влажности и водопоглощения бетона 177
6.1. Критерий величины поверхностной энергии для оценки влажности и водопоглощения бетона 185
6.2. Применение модуля упругости бетона для определения влажности 191
6.3. Определение влажности бетона по величине коэффициента Пуассона 194
Выводы 197
Общие выводы 199
Приложение. Акты внедрения результатов исследований 233
- Исследование процессов разрушения бетона циклическим замораживанием
- Определение физико-механических характеристик бетона акустическими методами
- Прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе, определяемые по совокупности начальных физико-механических характеристик бетона
- Определение площади поверхности разрушения бетона при внешнем воздействии по энергии импульсов акустической эмиссии
Введение к работе
Несмотря на почти двухсотлетний опыт применения и значительные объемы использования бетона, с которым не может сравниться ни один композиционный материал, он является, тем не менее, наименее изученным из всех материалов. Для него, например, до сих пор с позиции структурной механики не разработана теория деформирования и разрушения, учитывающая реальные физические процессы, и не определены четкие критерии, позволяющие говорить о наступлении полного разрушения при различных видах силового воздействия.
Существующие в настоящее время методы расчета несущих и ограждающих бетонных и железобетонных конструкций на прочность и долговечность базируются на эмпирических и полуэмпирических зависимостях, в которых отсутствует глубокое проникновение в физическую сущность процессов разрушения, а в ряде случаев нет полного представления о комплексе причин, вызывающих снижение несущей способности и долговечности.
Такое положение, с одной стороны, объясняется сложностью структуры бетона, представляющей многокомпонентную и поликристаллическую смесь составляющих, находящихся в физико-химическом взаимодействии друг с другом, и изобилующего сложной системой пор и микротрещин, адсорбирующих на своей поверхности влагу. Изменение количества влаги в порах бетона при изменении внешних температурно-влажностных условий работы материала может в достаточно широких пределах, иногда в несколько раз, менять значения физико-механических характеристик материала. При этом таких, от которых в значительной степени зависят несущая способность и долговечность конструкций: модулей упругости и сдвига, прочностей на сжатие и растя-
жение, поверхностной энергии и коэффициента сцепления первого рода. Для этих материалов практически отсутствуют характеристики, которые могли бы служить константами их структуры.
С другой стороны, положение может быть объяснено и недостаточно высоким уровнем развития механики разрушения, науки, занимающейся исследованием работы реальных материалов, накапливающих в своей структуре дефекты. Имеющийся в этой области опыт описания процессов разрушения не позволяет достаточно надежно прогнозировать поведение даже небольшой совокупности взаимодействующих между собой трещин, а тем более такого большого числа пор и микротрещин, которыми буквально пронизан весь бетон. Тем не менее, даже наработанный в настоящее время материал, использующий основные критерии механики разрушения, говорит о перспективности работ, выполняемых в этой области, и приносит первые практические результаты.
В последние четыре десятилетия наблюдается бурный рост числа исследований по проблемам разрушения различных материалов, в том числе и бетонов. Публикуется громадное число работ по прочности и долговечности, и этот интерес к проблеме разрушения стимулируется ее большим практическим значением. Имеются попытки систематизации научных результатов в обзорах и сборниках. Достаточно отметить выход в 70-х годах семитомника "Разрушение" под редакцией Г.Либовица.
Целью механики разрушения является выяснение условий разрушения тел, работающих под действием заданных нагрузок в определенных внешних условиях. При этом выполняется анализ напряженно-деформированного состояния тела при заданных начальных и граничных условиях загружения и с учетом процессов
деструкции.
Здесь следует заметить, что проблемы прочности и долговечности бетона очень сложны и мало надежны на появление какой-либо "единой" теории прочности или долговечности. Однако возможно построение частных моделей разрушения, справедливых в тех или иных узко ограниченных условиях работы конструкционного материала. Эти частные модели, естественно, упрощены и идеализированы, поскольку разрушение - это комплекс проблем, имеющих самые разнообразные стороны - физическую, химическую, механическую, технологическую и пр. Но механическая сторона разрушения в этом комплексе проблем играет существенную роль. Поэтому механика разрушения, несмотря на блочность ее строения, из-за наличия множества частных моделей разрушения, часто дает весьма ценную информацию, объясняет многие эффекты, позволяет правильно ставить научные и инженерные эксперименты и интерпретировать их результаты, прогнозировать поведение тел в процессе разрушения, протекающем в различных условиях воздействия на материал. Именно этим и объясняется большой интерес к механике разрушения бетонов и других конструкционных материалов и ее интенсивное развитие в последние годы.
Большой вклад в изучение процессов разрушения бетона внесли И.И.Ахвердов, ОЛ.Берг, В.В.Бабков, Ю.М.Баженов, В.КБетехтин, ААГвоздев, А.Е.Голиков, Г.ИХончаров, ИМГрушко, Ю.В. Зайцев, П.Г.Комохов, Г.Н.Писанко, Г.Я.Почтовик, Н.В.Смирнов, М.М.Хол-мянский, Е.Н.Щербаков, Ю.Н.Хромец, А.Ф.Щуров, А.В.Яшин, Ж.Айзенберг, Г.Винтер, К.Кришнасвами, Т.Пауэре, С.Чандра, Ф.Слейт, С.Шах, Т.Шу и др.
Как было показано исследованиями, любой процесс разрушения бетона сопровождается развитием трещин, а любое состояние
начальной структуры зависит от температурно-влажностных условий внешней среды, налагающей отпечаток на значения начальных физико-механических характеристик, от которых зависят все параметры процесса разрушения бетона.
Разрушение материала всегда связано с накоплением повреждений начальной структуры бетона на разных уровнях и поглощением энергии деформации, с последующим выделением ее на поверхность вновь образованных трещин разрушения. Процесс накопления повреждений относительно длителен и не идет ни в какое сравнение со временем действия собственно самого разрушения, носящего катастрофический характер. Именно процесс накопления повреждений определяет ход и кинетику разрушения, намечает пути развития магистральных трещин, разделяющих материал на части. Начало процесса разрушения характеризуется значительной интенсификацией акустической эмиссии как по числу импульсов, так и по энергии, и переходом звукового излучения из ультразвуковой области в звуковую. Через некоторое время после этого на поверхности бетона наблюдается появление магистральных трещин, интенсивно развивающихся в длину и ширину, и их соединение, следствием которого является разделение бетонного элемента на отдельные элементы, не способные воспринимать действующую на элемент нагрузку.
Как процесс накопления повреждений, так и собственно разрушение материала регистрируется практически всеми акустическими методами, весьма чувствительными к такого рода процессам. Со времени появления в бетоне микротрещин, изменяющих значения начальных физико-механических характеристик, наблюдается значительное снижение скоростей прохождения продольных и сдвиговых ультразвуковых волн, имеет место увеличение амплитудного затухания ультразвуковых волн, особенно
в направлениях, располагаемых под углом 90 от направления действия сил, изменяются амплитудно-частотные характеристики сигналов акустической эмиссии и сигналов ультразвуковых волн. Высокая чувствительность акустических методов к проявлениям процессов разрушения бетона позволяет использовать последние для прогнозирования поведения бетона при различных видах силового, температурного и влажностного воздействий с достаточной для практических целей точностью и надежностью.
Среди акустических методов наиболее применимы в современных условиях ультразвуковой импульсный, измерения затухания ультразвука, акустической эмиссии и спектрального анализа ультразвуковых импульсов и импульсов акустической эмиссии.
Наиболее существенные работы в этой области, применительно к бетону, были выполнены Л.Я.Дубовиком, А.С.Дура-совым, И.С.Вайнштоком, В.ПЕременко, И.В.Защуком, С.В.Жуковым, В.А.Калашниковым, Р.О.Красновским, Н.А.Крыловым, В.Г.Липником, М.Д.Мосесовым, С.И.Ногиным, Г.Я.Почтовиком, Ю.С.Уржумцевым, Р.Джонсом, И.Р.Лесли, Р.Труэлом, И.Р.Чесменом, Ч.Эльбаумом.
Работа включает следующую группу положений, выносимых на защиту.
Целью работы является исследование процессов разрушения бетона циклическим замораживанием, осевым растяжением и растяжением при изгибе с применением аппарата энергетической концепции механики разрушения и кинетической теории С.Н.Журкова и разработка на основании этих исследований оперативных, малотрудоемких и высокоточных методов определения морозостойкости бетона, прочности на осевое растяжение и растяжение при изгибе на базе акустических методов, таких как
метод регистрации параметров акустической эмиссии, сопровождающей процесс трещинообразования бетона, и импульсный ультразвуковой метод.
Научная новизна работы представлена исследованием процессов разрушения бетона циклическим замораживанием и описанием последних на базе основных положений энергетической концепции механики разрушения и кинетической теории С.Н.Журкова. Показано, что морозостойкость бетона зависит от совокупности начальных физико-механических характеристик бетона, таких как поверхностная энергия, модуль упругости, коэффициент Пуассона и прочность на сжатие, и совокупности кинетических характеристик: склонности бетона к трещино-образованию и интенсивности трещинообразования при циклическом замораживании. Последние регламентируют условия работы бетона в различных режимах температурно-влажностного воздействия. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать три оперативных метода определения морозостойкости бетона, два из которых защищены авторскими свидетельствами СССР (№№ 691755 и 822027).
Исследованы и описаны процессы разрушения бетона осевым растяжением и растяжением при изгибе с использованием базовых положений энергетической концепции механики разрушения и кинетической теории С.Н.Журкова. Установлено, что величины прочности бетона при осевом растяжении и растяжении при изгибе зависят от совокупности физико-механических характеристик структуры бетона, таких как поверхностная энергия, модуль упругости, коэффициент Пуассона, и совокупности кинетических характеристик: склонности бетона к трещинообразованию и интенсивности трещинообразования при силовом воздействии. Две последние характеристики определяют величину интенсивности
загружения материала силовым воздействием. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать два метода определения прочности бетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе, защищенные авторскими свидетельствами СССР (Ж№ 1024838 и 1672358).
Разработан метод определения поверхностной энергии бетона по величине акустической эмиссии.
Разработаны методы определения трещиностойкости бетона и площади поверхности разрушения бетона на базе регистрации параметров акустической эмиссии, сопровождающей процесс трещинообразования в бетоне, защищенные авторскими свидетельствами СССР (№№ 1004880 и 1081540).
Исследованы зависимости влажности бетонов от таких физико-механических характеристик бетона, как поверхностная энергия, модуль упругости и коэффициент Пуассона, на основании которых разработаны три метода определения влажности и водо-поглощения бетона, защищенные авторскими свидетельствами СССР (№№ 1015300, 1073705 и 1053002).
Основные положения, выносимые на зашиту:
обоснование механизма хрупкого разрушения бетона при циклическом замораживании, осевом растяжении и растяжении при изгибе;
исследование процессов разрушения бетона циклическим низкотемпературным воздействием, силовым растяжением и растяжением при изгибе с применением аппарата энергетической концепции механики разрушения и кинетической теории С.Н.Журкова;
способ определения поверхностной энергии бетона по величине энергии акустической эмиссии;
способ определения морозостойкости бетона по совокупности параметров акустической эмиссии, сопровождающей про-
цесс разрушения бетонных образцов одноосным сжатием;
способ определения морозостойкости бетона по совокупности четырех физико-механических характеристик: поверхностной энергии, модуля упругости, коэффициента Пуассона и прочность на сжатие; и двух кинетических характеристик: склонности бетона к трещинообразованию и интенсивности трещинообразования при циклическом замораживании;
способ определения морозостойкости бетона по величине коэффициента Пуассона;
способ определения прочности бетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе по совокупности трех физико-механических характеристик: поверхностной энергии, модуля упругости, коэффициента Пуассона;
способ определения прочности бетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе по совокупности трех физико-механических характеристик: модуля упругости, поверхностной энергии и коэффициента Пуассона; и двух кинетических характеристик: склонности бетона к трещинообразованию и интенсивности трещинообразования при силовом воздействии;
способ определения площади поверхности разрушения бетона по величине энергии акустической эмиссии, сопровождающей процесс образования новых поверхностей в бетоне;
способ определения трещиностойкости бетона, в котором в качестве критерия используется величина энергии акустической эмиссии, сопровождающей процесс высыхания материала;
способ определения влажности и водопоглощения бетонов по величине поверхностной энергии;
способ определения влажности бетона по величине модуля упругости;
способ определения влажности и водопоглощения бетона
по величине коэффициента Пуассона.
Практическое значение работы заключается в разработке оперативных методов определения морозостойкости бетона, не требующих больших затрат времени, значительных трудовых и технических ресурсов на процесс определения этого параметра.
Методы определения прочности на осевое растяжение и растяжение при изгибе бетона позволяют на практике отказаться от громоздкого и энергоемкого силового оборудования.
Способы определения влажности бетона позволяют при минимальных затратах труда и времени измерять этот параметр в конструкции или изделии.
Экономический эффект от внедрения методов не практике составил порядка 1,5 млн. рублей в ценах 1998 года.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинаре-совещании "Новые звуковые методы оценки свойств и состояний бетонов", г.Волгоград, 1976; семинаре-совещании "Новые средства и методы неразрушающего контроля качества промышленной продукции", г.Куйбышев, 1977; семинаре-совещании "Применение акустических методов в исследовании свойств строительных материалов и конструкций", г.Куйбышев, 1978; ежегодных семинарах-совещаниях "Вопросы надежности железобетонных конструкций", г.Куйбышев, 1976-1978; Всесоюзном семинаре "Акустическая эмиссия и разрушение композиционных материалов", г.Душанбе, 1986; Международной конференции -Академических чтениях РААСН "Современные проблемы строительного материаловедения", г.Самара, 1995; ежегодных научно-технических конференциях Куйбышевского института инженеров железнодорожного транспорта, 1976-1982; ежегодных конференциях Самарского архитектурно-строительного института, 1984-1996.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе 2 монографии (в соавторстве), получено 9 авторских свидетельств.
Исследование процессов разрушения бетона циклическим замораживанием
В настоящее время автором описаны процессы разрушения бетона при трех видах силового воздействия на него: циклическим замораживанием, растягивающими и изгибающими напряжениями. При этом принимались все те допущения по структуре материала, которые обычно принимаются при исследовании процессов разрушения бетона и которые обоснованы и приведены выше. Кроме того, при описании физической картины разрушения бетона силовыми воздействиями, в каждом конкретном случае также приходилось делать допущения по условиям нагружения бетонных элементов во времени, поскольку не задание четких граничных условий загружения материала делает процесс описания картины разрушения практически невозможным.
Так, при описании процессов разрушения бетона циклическим замораживанием допускалось, что температура замораживания за все время работы бетона на этот вид воздействия была постоянной, т.е. при всех циклах замораживания одинаковой, а загружение рассматриваемого бетонного элемента циклическим замораживанием во времени было линейным, т.е. число циклов замораживания и оттаивания в определенные и равные отрезки времени было одинаковым. Описанные условия загружения бетона близки к условиям испытания бетона на морозостойкость по стандартной методике. Кроме того, допускалось условие, что промерзание бетонного элемента, т.е. достижение в нем температуры с одинаковыми значениями во всем объеме, происходит за короткий промежуток времени, несравнимо малый со временем выдерживания элемента при каждом цикле замораживания в условиях отрицательной температуры. Последнее допущение позволило рассматривать процесс разрушения бетонного элемента равномерно распределенным по всему объему, что также упростило задачу описания этого процесса.
При описании разрушения бетона растягивающими и изгибающими нагрузками были приняты следующие допущения. Рост напряжений при силовых воздействиях на разрушаемый бетонный элемент осуществляется по линейному закону до полного его разрушения со строго определенной скоростью приложения нагрузки во времени.
При описании физической картины процесса разрушения бетона циклическим замораживанием все исследователи сталкиваются с явлением, которое не существует, пожалуй, ни при каком-либо другом виде силового воздействия на бетон: с отсутствием единого мнения о причинах разрушения бетона морозом.
Существующие в настоящее время гипотезы, описывающие причины, вызывающие разрушение бетона при фазовом переходе воды, такие как гипотеза общего кристаллизационного давления льда, гипотеза гидравлического давления, гипотеза давления дополнительного криоталло льдообразования в капиллярах бетона, гипотеза гидростатического давления воды, отжимаемой в мелкие поры при замерзании воды в крупных порах, гипотеза гидростатического давления, развивающегося в замерзающей защемленной воде, гипотеза разности температурных деформаций заполнителей [17, 21,41, 44, 68, 71, 83, 88, 94,102, 103,112, 115, 124, 134, 135, 144, 145, 164, 170, 173, 233] - не свободны о недостатков и не могут каждая в отдельности объяснить причин роста микротрещин при этом виде воздействия на бетон. На наш взгляд, при разрушении бетона циклическим замораживанием мы имеем дело с комплексом воздействий, каждое из которых описывается вышеприведенными гипотезами. Преобладание одного из видов разрушающего воздействия или комплекса воздействий зависит от конкретных особенностей структуры бетона и температурно-влажностных условий циклического замораживания.
Физическая картина процесса развития трещин в бетонном элементе при циклическом воздействии на него отрицательными температурами была принята в следующем виде.
Объемный дефект материала (цора, микротрещина, каверна) заполняется водой. При переходе температуры бетонного элемента в область отрицательных значений имеет место фазовый переход воды, сопровождающийся деструктивными процессами, описанными вышеназванными гигіотезами. Напряжения, возникающие при этом на стенках дефекта, передаются по всем направлениям равномерно. Вокруг микріодефекта возникает сложное напряженное состояние, которое приводит к росту микротрещины и образованию новых поверхностей.
Для дальнейшего развития трещины и прорастания ее на некоторую величину нужно создать приращение напряжения. Поскольку объем дефекта после первого цикла замораживания вырос на определенную величину, то при оттаивании вода заполняет вновь образованный приращенный за цикл объем. Новое замораживание увеличит напряжение в микродефекте, поскольку увеличится количество льда в нем, и вызовет дальнейший рост его площади. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока площадь микротрещин не достигнет величины, являющейся критической для данного бетонного элемента.
Определение физико-механических характеристик бетона акустическими методами
При выборе формы и размеров образцов исходили из следующих соображений. 1) Форма и размеры образцов должны как можно с большей точностью моделировать условия образования трещины в реальном материале. Как показывают исследования [104, 189], размеры трещин в бетоне на различных этапах разрушения не превышают нескольких десятков миллиметров. 2) Инициаторы трещины должны способствовать равномерному и последовательному росту вновь образуемой трещины. 3) Передача усилий на образец должна осуществляться таким образом, чтобы развитие трещины было возможно только через инициаторы. 4) Форма и размеры образцов должны позволять осуществлять относительно простое их центрирование, не создающее условий для появления других видов деформаций, кроме чистого центрального растяжения. 5) Возможность использования для образцов стандартной опалубки из арсенала строительных лабораторий. Всем перечисленным требованиям отвечает образец, выполненный в форме пластины размерами 0,16x0,13x0,02 м с инициаторами трещины длиной по 0,01 м, исходящими из цилиндрического отверстия диаметром 0,02 м, устроенного в геометрическом центре пластины. Направление развития трещины в таком образце ориентировано параллельно короткой стороне пластины. Для изготовления указанного образца были использованы стальные формы, применяемые в строительных лабораториях для определения активности цемента, из которых были вынуты пластины-перегородки, а на дно уложена стальная отфрезерованная плита толщиной 0,02 м, в центре которой было просверлено отверстие и нарезана резьба. В указанное отверстие укреплялся стальной цилиндр диаметром 0,02 м с ножами-инициаторами трещин. Поскольку при твердении вокруг стального цилиндра образовывались усадочные трещины, то через час после изготовления образцов с формы снимались ножи-инициаторы и вынимался стальной цилиндр. Опалубочный чертеж образцов для определения значений поверхностной энергии бетонов помещен на рис.2.3. Оно состоит из двух стальных плит (нижней 1 и верхней 2), соединенных между собой двумя стальными направляющими цилиндрическими штангами 3. На верхнюю плиту, выполненную в форме шестигранника, по короткой диагонали установлена стальная треугольная призма, на которую надевается неподвижное коромысло 5. Подвижное коромысло 6 шарнирно закреплено на гайке 7, снабженной ползунами 8. Винт 9 соединен с червячной парой 10, вращающейся при помощи штурвала 11. Тарировка нагрузочного устройства показала, что один поворот штурвала создает растягивающее усилие порядка 3...5 Н. Плавность загружения образца достигается за счет постоянной скорости вращения штурвала устройства. Работает устройство следующим образом. Образец надевается на верхнее коромысло, нижнее коромысло вставляется в отверстие образца. При вращении ручки штурвала по часовой стрелке гайка навинчивается на винт. Поступательное движение гайки в направлении нижней пластины вызывает перемещение нижнего коромысла в том же направлении, за счет чего и создается растягивающее усилие в образце. Общий вид устройства с размещенным в нем образцом показан на рис.2.5. Принципиальная электрическая схема автоматического устройства для определения поверхностной энергии приведена на рис.2.6. Принцип работы устройства следующий. Импульс или последовательность импульсов акустической эмиссии, сопровождающих процесс образований трещин в образце 1, принимаются пьезоэлектрическим преобразователем 2, выполненным на основе пьезокерамики ЦГС-19, и усиливаются широкополосным усилителем 3, имеющим низкий уровень собственных шумов. С -84 целью снижения наводок предварительный усилитель размещен в корпусе пьезоэлектрического преобразователя. После предварительного усиления сигнал поступает на квадратурный детектор 4, на входе которого получается сигнал, пропорциональный энергии импульса. Далее сигнал подается на логарифмирующий усилитель 5, необходимость в котором продиктована тем, что динамический диапазон импульсов шире, чем диапазон линейного усилителя 6, особенно в оконечных каскадах. С линейного усилителя сигнал поступает на емкостной накопитель 7, суммирующий энергию сигналов всех импульсов акустической эмиссии. Для перевода энергии сигналов акустической эмиссии из аналоговой формы в числовую используется преобразователь аналогкод 8. Применяя описанные методы, образцы, нагрузочное устройство и аппаратуру, автор предпринял серию исследований поверхностной энергии бетона и цементного раствора. При проведении исследований ставилась цель определения порядка и величины колебаний значений поверхностной энергии цементных растворов и бетонов в зависимости от вида заполнителей, расхода воды и вяжущего, температурно-влажностных условий работы, наличия в структуре бетонов химических добавок. Кроме того, предполагалось исследование изменения значений удельной поверхностной энергии в процессе твердения раствора и бетона.
Прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе, определяемые по совокупности начальных физико-механических характеристик бетона
Выполненные в этой главе исследования позволили сделать следующие выводы. 1. Разрушение бетона циклическим замораживанием носит дискретный характер и представлено на начальном этапе ростом существующих дефектов структуры, их слиянием в единое целое в виде микротрещин. Дальнейшее циклическое низкотемпературное воздействие на бетон приводит к росту микротрещин и перерастанию последних в магистральные трещины, площадь которых в период разрушения материала достигает критической величины, при которой бетон теряет несущую способность. Скорость деструкции бетона зависит от качественного состояния структуры материала и температурно-влажностных условий замораживания. Качественная оценка структуры бетона возможна по совокупности четырех физико-механических характеристик: поверхностной энергии, модуля упругости, коэффициента Пуассона и прочности на сжатие. Для количественной оценки температурно-влажностных условий замораживания бетона в практику расчетов введены две кинетические характеристики: склонность бетона к трещинообразованию при циклическом замораживании и интенсивность трещинообразования при циклическом замораживании. Совокупность названных характеристик позволяет прогнозировать морозостойкость бетона по основному методу стандартных испытаний. 2. Разрушение бетона силовым воздействием в виде осевого растяжения или изгиба носит также дискретный характер и представлено на начальном этапе раскрытием и ростом дефектов на участках максимального скопления начальных дефектов структуры. Последние превращаются в плоские микротрещины, ориен -102 тированные перпендикулярно направлению действия растягивающих усилий. Дальнейший рост растягивающих усилий приводит к концентрации напряжений в устьях появившихся микротрещин, превращению упругой энергии деформации материала в энергию растущих трещин. Из всех трещин выделяется одна, обладающая наибольшей площадью поверхности. Эта трещина поглощает энергию упругой деформации в количествах, значительно превышающих количество энергии, поглощенной всеми мелкими трещинами, стремительно растет, достигая по площади площадь поперечного сечения бетонного элемента, что приводит к разделению последнего на две части. Как показали исследования, прочность бетона на растяжение и растяжение при изгибе зависит от совокупности физико-механических характеристик структуры бетона, таких как поверхностная энергия, модуль упругости и коэффициент Пуассона, и скорости приложения к материалу силовой нагрузки. Для количественной оценки интенсивности силового загружения бетона предложены две кинетические характеристики: склонность бетона к трещинообразова-нию и интенсивность трещинообразования при силовом воздействий. Совокупность названных характеристик позволила разработать способы определения прочности бетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе. 3. Вводимые в практику расчетов кинетические характеристики процессов разрушения весьма чувствительны к интенсивности силового или циклического низкотемпературного воздействия и характеризуют суровость условий работы материала на каждый из названных видов воздействия. При этом, склонность бетона к трещинообразованию показывает величину прироста дефекта на единицу внешнего воздействия, а интенсивность трещинообразования - скорость этого прироста по мере увеличе -103 ния величины внешнего воздействия. 4. Теоретические и экспериментальные исследования процессов разрушения бетона показали, что одной из важнейших характеристик структуры последнего является поверхностная энергия. Анализ существующих в физике и механике разрушения способов определения значений поверхностной энергии позволил разработать методику определения этой характеристики применительно к бетону и предложить для измерения величины последней регистрацию энергии акустической эмиссии, сопровождающей процесс роста и развития трещин в бетоне. Показано, что поверхностная энергия бетона весьма чувствительна к составу раствора и бетона, расходу цемента и водоцементному отношению, действию влаги и температуры и изменяется во времени в процессе твердения раствора и бетона. 5. Показано, что величина коэффициента сцепления первого рода, используемая в механистической концепции механики разрушения, весьма чувствительна к действию влаги.
Определение площади поверхности разрушения бетона при внешнем воздействии по энергии импульсов акустической эмиссии
Зато сам процесс трещинообразования при этом идет интенсивнее: трещин меньше, но энергия трещинообразования больше и сам процесс разрушения сопровождается большими значениями линейных и объемных деформаций. Экспериментальное подтверждение сказанному можно найти в работах [3, 13, 19, 22, 43, 48,53,55,61,70,87,96,105].
Исследования акустической эмиссии, сопровождающей процесс разрушения бетонов, показали, что и параметры звукового излучения у бетонов с различной плотностью структуры также различны [48,104,120,121,145]. В работе [105] экспериментально было показано, что акустическая эмиссия в значительной степени зависит от плотности и однородности структуры. В частности, у бетона с малой плотностью начальной структуры, имеющей большое число относительно крупных пор и микротрещин, наблюдается появление акустической эмиссии на ранних стадиях загружения, близких к началу приложения нагрузки. Общее число импульсов акустической эмиссии у такого бетона на каждой ступени загружения, как и их суммарное число за весь период загружения бетона, превышает такой же параметр, полученный у бетона с более плотной и однородной структурой, в 1,3...1,5 раза. Однако суммарная энергия импульсов акустической эмиссии у бетона с малоплотной структурой в 1,5...2,0 меньше, чем у бетона с более плотной и однородной структурой. При этом у бетона с малоплотной структурой наибольшее число импульсов в секунду (интенсивность акустической эмиссии) приходится на уровни напряжений 0,3...0,7, а у бетона с плотной структурой -на уровни 0,5...0,9.
Поскольку плотность структуры определяет морозостойкость бетона [44, 45, 56, 68, 71, 88, 89], то было высказано предположение о связи морозостойкости бетона с параметрами акустической эмиссии, сопровождающей процесс разрушения бетона при одноосном сжатии. Это нашло подтверждение в экспериментальных исследованиях, выполненных автором. Так, уже предварительные эксперименты показали, что бетон с различной морозостойкостью имеют различную среднюю интенсивность акустической эмиссии при испытании образцов из них на одноосное статическое сжатие при одинаковых скоростях приложения сжимающей нагрузки. Увеличение морозостойкости бетонов, изготовленных из одинаковых исходных компонентов, в 1,85 раза показало снижение средней интенсивности акустической эмиссии в 1,73 раза. Дальнейшие исследования в этой области показали, что параметры акустической эмиссии можно с успехом использовать для определения морозостойкости бетона, но при этом необходимо соблюдать ряд ограничений. В частности, результаты испытания бетона с неизвестной морозостойкостью на одноосное сжатие могут быть сравнены с аналогичными результатами, полученными на бетоне с известной морозостойкостью (контрольные и эталонные составы) только в том случае, если в обоих составах использованы заполнители с близкими физико-механическими характеристиками. То есть нельзя использовать результаты испытания бетона на гранитном заполнителе или керамзитовом гравии для прогнозирования морозостойкости бетона с карбонатным заполнителем.
Как показали результаты экспериментальных исследований, для определения морозостойкости бетонов вполне достаточно использовать такой параметр акустической эмиссии, как энергию импульсов. Эта характеристика достаточно чувствительна к морозостойкости бетонов и позволяет весьма точно и надежно выполнять прогнозирование испытываемых составов бетонов.
Работы по внедрению рассмотренного метода определения моро зо стойкости бетона в условиях строительных лабораторий следует осуществлять в два этапа.
На первом этапе изготавливают несколько серий образцов-кубов размерами, зависящими от крупности заполнителя, в соответствии с требованиями ГОСТ 10060.0-95. Серии должны выполняться из составов бетона с одинаковыми заполнителями и вяжущими. Получения различной морозостойкости по сериям можно добиться путем изменения расхода цемента, воды затворе-ния и введения химических добавок. В состав каждой серии должно входить 24 образца, из которых 6 испытывают на одноосное сжатие с целью получения данных о параметрах акустической эмиссии, и 18 образцов - для проведения контрольных испытаний на морозостойкость по первому базовому методу ГОСТ 10060.1-95. Все образцы перед проведением испытаний насыщают водой при атмосферном давлении в течение 96 часов при температуре воздуха (+18 +2С). Определение параметров акустической эмиссии, как и начало проведения контрольных испытаний на морозостойкость по первому базовому методу ГОСТ 10060.1-95, следует проводить в 28-суточном возрасте после выдерживания в камере нормального твердения или 7-суточном возрасте после тепловой обработки по режиму, принятому на предприятии, и последующего выдерживания в камере нормального твердения.
Испытание образцов-кубов на одноосное сжатие с целью регистрации параметров акустической эмиссии следует проводить в такой последовательности. Образцы вынимают по одному из воды и через 2...4 часа после извлечения из ванны устанавливают на нижнюю плиту гидравлического пресса. Затем на одной из боковых поверхностей куба через контактную смазку закрепляют приемник импульсов акустической эмиссии. Способ крепления приемника не должен влиять на характер разрушения образца. После описанных операций приступают к испытанию образца бетона на одноосное статическое сжатие. Нагружение ведут ступенями по 0,1 от предела прочности водонасыщенного образца и на каждой ступени выдерживают нагрузку в течение 5 минут. За это время снимают показания прибора, регистрирующего параметры акустической эмиссии. Скорость нагружения образца должна находиться в пределах, определяемых требованиями ГОСТ 10180-90. Суммарное время испытания образца-куба на одноосное сжатие, вместе с подготовкой образца к испытанию, не должно превышать одного часа, поскольку при дальнейшем выдерживании образца в воздушно-сухих условиях возможно проявление процесса высушивания, изменяющего численные значения параметров акустической эмиссии.
