автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Исследование процессов разрушения бетона гидростатическим давлением

На правах рукописи

Попов Дмитрии Валериевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540714

Пенза 2013

г 8 НОЯ 2013

005540714

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Коренькова Софья Федоровна

Официальные оппоненты Макрндин Николай Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Технологии строительных материалов и деревообработка»

Недосеко Игорь Вадимович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», профессор кафедры «Строительные конструкции»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Петербургский

государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится 19 декабря 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д212.184.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28, корп.1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан 15 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бакушев

Сергей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из важнейших характеристик, определяющих долговечность бетонов гидротехнических сооружений, подземных частей зданий и сооружений, является водопроницаемость. Особенно это важно для конструкций, имеющих небольшую толщину и работающих в условиях значительного гидростатического давления. Бетоны, обладающие высокой водопроницаемостью, со временем начинают активно фильтровать воду, что приводит к .вымыванию портландтидной составляющей бетона и появлению в нём сквозных магистральных трещин. При этом на поддержание условий нормальном эксплуатации затрачиваются значительные средства и трудовые ресурсы. До сих пор нет надёжного и достаточно простого способа определения водопроницаемости бетона в возводимых и эксплуатируемых конструкциях.

Все современные оперативные методы контроля материалов имеют научную основу и базируются на солидных теоретических исследованиях. В нашем случае, поскольку разрушение бетона гидростатическим давлением сопровождается появлением и развитием микротрещин, в качестве теоретической основы самым целесообразным вариантом будет использование аппарата механики разрушения бетона для описания указанных деструкционных процессов. Точное описание последних позволит выделить параметры бетона, определение которых позволит прогнозировать его водопроницаемость, в том числе и в готовых конструкциях.

Особенностью механики разрушения бетона является то, что она имеет дело с достаточно сложным по структуре материалом, представляющим собой конгломерат композитов, имеющих различные физико-механические характеристики, которые сложно как физически, так н химически взаимодействуют друг с другом. Поэтому для него не всегда применимы подходы, используемые для таких относительно однородных материалов как стекло, сталь, пластмассы и других, на которых были теоретически выведены и экспериментально проверены основные положения современной механики разрушения.

В данной работе были выполнены теоретические исследования в области описания процессов разрушения бетона гидростатическим давлением. По результатам исследований выделены параметры структуры бетона, по которым возможно прогнозирование его водопроницаемости. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие правильность и обоснованность основанных теоретических положений. Разработаны три оперативных метода определения водопроницаемости бетона, два из которых могут быть использованы в условиях строящихся и эксплуатируемых объектов.

Цель работы: Исследование процессов разрушения бетона гидростатическим давлением с применением энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения и разработка оперативных методов определения водопроницаемости бетона.

Задачи исследования:

описание процессов разрушения бетона гидростатическим давлением с обоснованием возможности применения энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения для этой цели;

определение начальных физико-механических характеристик бетона, способных противостоять его разрушению и кинетических характеристик, квалифицирующих скорость разрушения материала гидростатическим давлением; экспериментальное доказательство возможности использования энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения для описания процессов разрушения бетона гидростатическим давлением;

разработка оперативных методов определения водопроницаемости бетона и их апробация.

Научная новизна работы заключается в следующем:

выполнено математическое описание процесса разрушения бетона гидростатическим давлением и обоснована возможность применения энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения бетона;

определены начальные физико-механические характеристики бетона, от которых зависит сопротивление бетона гидростатическому давлению;

определена совокупность значений кннетшгеских характеристик процесса разрушения бетона, отвечающая за интенсивность приложения гидростатической нагрузки.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением в качестве основы теоретических исследований основных положений механики разрушения, прошедших апробацию временем, и использованием при выполнении экспериментальных исследований широко применяемых в практике методов и аппаратурной реализации.

Основные положения выносимые на защиту:

математическое описание процесса разрушения бетона гидростатическим давлением;

результаты экспериментальных исследований подтверждающих возможность использования полученной математической модели для прогнозирования поведения бетона при действии гидростатического давления;

установление зависимости водопроницаемости бетона от коэффициента Пуассона и коэффициента сцепления первого рода; три методики оперативного определения водопроницаемости бетона.

Практическая значимость работы заключается в разработке трёх оперативных методов определения водопроницаемости бетона, которые могут быть применены как в условиях строительной лаборатории при подборе составов и контроле качества бетона, так и в возводимых и эксплуатируемых зданиях и сооружениях.

Реализация работы

Апробация способов определения водопроницаемости бетона выполнялась на строящихся объектах г.Самары и эксплуатируемых энергетических объектах Саратовской области, в рамках выполнения хоздоговорных работ с предприятиями: ООО «Хай-тек» и ООО «ЭнергоСтройПроект»

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на VIII академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения», г.Самара, 2004г.; VII международная конференция «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», г. Санкт-Петербург, 2008г.; XV Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», Казань, 2010г.; Научно-технической конференции к 100-летию Полака А.Ф., Уфа, 2011г.

По результатам исследований опубликовано 13 статей и тезисов докладов.

Структура и объемы работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников, приложений. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 9 иллюстраций и 5 таблиц. Список использованных источников включает 258 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введепии обосновываются актуальность диссертационной работы, цель и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость, реализация и апробация работы.

В первой главе представлен обзор существующих методов определения водонепроницаемости бетона и достижений механики разрушения, в особенности энергетической теории и кинетической концепции применительно к исследованию процессов разрушения бетона.

Научные труды И.Н. Ахвердова, В.В. Бабкова, Ю.М. Баженова, О.Я. Берга, A.A. Гвоздева, Г.И. Горчакова, И.М. Грушко, Е.А. Гузеева, Ю.В. Зайцева, Ю.А. Иващенко, П.Г. Комохова, С.Ф. Кореньковой, P.O. Красновского, С.Н. Леоновнча, Н.И. Макрпдина, Н.В. Михайлова, М.Д. Мосесова, А.П. Пака, В.В. Панасюка, В.Г. Пашковского, В.А. Перфилова, А.Б. Пирадова, В.П. Попова, Г.Я. Почтовика, П.А. Ребиндера, Г.П. Черепанова, В.И. Шевченко, В.И. Я густа и других ученых заложили основы механики разрушения бетона и показали, что основные её положения и математический аппарат могут быть использованы при исследовании процессов разрушения бетона различными видами внешнего воздействия.

В современной физике и механике разрушения бетона, как науке, существует два основных подхода к анализу причин образования и развития трещин и описанию этого процесса:

- энергетический подход, основанный на теории сохранении и превращении энергии;

- механистический подход, рассматривающий условия равновесия действующих на трещину внешних и внутренних сил.

Энергетический подход был сформулирован основателем механики разрушения A.A. Гриффитсом, который обосновал зависимость физико-механических параметров структуры твердого тела и размеров существующего в нём дефекта от реальной прочности тела. Подход был постулирован для хрупких и однородных материалов, а в качестве дефекта в нём рассматривалась микротрещина.

Согласно A.A. Гриффитсу, в процессе деформации происходит накопление потенциальной энергии твердого тела и превращение её в поверхностную энергию вновь образовавшихся плоскостей трещины. Если энергия упругих деформаций превышает энергию потребную для раскрытия вновь образовавшихся плоскостей, происходит процесс распространения трещины в длину. Этот процесс приводит, в конечном счёте, к полному разрушению материала.

Дж. Ирвин был первым, кто ввёл в практику механики разрушения параметр, именуемый «коэффициент интенсивности напряжений» при использовании механистического подхода к процессам разрушения. Эта физическая величина показывает значение критического напряжения в устье трещин, при котором начинается процесс её движения.

Использование для описания процессов трещинообразования математического аппарата энергетической концепции и кинетической теории механики разрушения показало информативность и надёжность такого подхода. Об этом говорят

результаты исследований В.В. Бабкова, П.Г. Комохова, М.Д. Мосесова, В.П. Попова и ГЛ. Почтовика.

Методы определения водопроницаемости бетона можно условно разделить на восемь групп по виду контролируемых параметров принципу их измерения.

Первая группа измеряет максимальное давление, при котором через образец не просачивается вода, то есть не появляются капли воды и отсутствуют мокрые пятна.

Вторая группа основана на определении числа атмосферо-часов до начала просачивания воды при ступенчатом возрастании напора.

Третья группа измеряет время просачивания заданного количества воды при нормированном статическом давлении.

Четвертая группа измеряет количество воды, профильтровавшейся при постоянном давлении в течение определенного времени.

Пятая группа определяет коэффициент фильтрации, рассчитываемый соотношением количества фильтрата ко времени его фильтрации, при постоянном давлении.

Шестая группа определяет скорость падения давления внутри определенного резервуара.

Седьмая группа замеряет количество воды, проходящей через бетон за определенный промежуток времени при переменной разности давлений.

Восьмая группа замеряет глубину проникания жидкости в бетон при постоянном давлении.

Все существующие методы являются разрушающими, они весьма трудоёмкими и требуют больших временных и стоимостных затрат, а также применения специального громоздкого и энергоемкого оборудования. Кроме того, они не могут быть использованы для определения этой характеристики непосредственно в эксплуатируемых конструкциях. В то время как современное строительство требует оперативных неразрушающих способов определения любых физико-механических характеристик бетона непосредственно в конструкциях. Разработке таких методов определения водопроницаемости и посвящены данные исследования.

Во второй главе обоснованно применение механики разрушения для исследования процессов разрушения бетона гидростатическим давлением.

Физическая картина процесса разрушения бетона гидростатическим давлением представлена в следующем виде. При появлении давления воды на поверхности бетонного элемента, имеют место два одновременно протекающих процесса: капиллярный подсос и задавливание воды в поры бетона: первый процесс характерен для

мелких пор. второй — для крупных пор и микротрещнн технологического происхождения, которыми изобилует бетон. Под действием гидростатического давления в устьях крупных пор и микротрещнн возникают напряжения превышающие предел прочности бетона на растяжение. Это приводит к росту микротрещнн на определенную длину. При повышении давления воды до следующего уровня, как это имеет место в процессе испытания бетона на водопроницаемость по стандартной методике, будет наблюдаться дальнейший рост микротрещин. На определенном уровне загружения бетонного элемента гидростатическим давлением появятся магистральные трещины, которые по мере их развития приведут к выходу их на противоположенную поверхность бетонного элемента. В этот момент вода, свободно мигрируя по магистральным трещинам, выступает на указанную поверхность. При этом процесс разрушения начинается в наиболее слабом месте бетонного элемента, где имеет место скопление большого числа дефектов или имеется один, но значительный по размерам дефект в виде крупной поры или макротрещины.

Энергетический баланс бетонного элемента в условиях одностороннего воздействия на него гидростатическим давлением на каждом из этапов загружения по A.A. Гриффитсу можно представить в следующем виде:

2 Е = I

где сг - напряжение, действующее в / -той трещине. Па;

lf - длина / -той трещины при действующем на неё

напряжении сг,., м;

S* - ширина i -той трещины при том же напряжении,

что и выше, м; Е - модуль упругости бетона, Па; v - поверхностная энергия бетона, Дж/м2; /it - коэффициент Пуассона.

Поскольку процесс разрушения бетона носит дискретный характер, то имеется возможность осреднения всех параметров материала, относящиеся к рассматриваемой ступени его разрушения. То есть можно предположить, что в пределах каждой ступени действует постоянное по величине напряжение, соответствующее осреднённому значению фактического напряжения в заданном объеме материала, а все образовавшиеся в том же объеме трещины можно

просуммировать по длине и ширине раскрытия. Такой же подход к описанию процессов разрушения бетона ранее использовался в работах М.Д. Мосесова, В.П. Попова и А.Ю. Давиденко Переходя к пределам, получим:

7Г=1ипХ'Г' (2)

Площадь такой приведённой трещины будет:

5"=/Г-¿Г. (4)

Тогда уравнение (2.8) может быть представлено в следующем виде:

1 -2-0--(Т т —СГ

—па I 5 = • О)

2 Е

Поскольку Б" * 0 , то:

-лга2Т{1-и2) = 2у (б) 2 Е

/Для исследования закономерностей развития трещины во времени, по мере возрастания величины гидростатического давления, воспользовались трансформированным уравнением кинетической теории С.Н. Журкова, представленным К.И. Кузнецовой. Аналогичная зависимость использовалась ранее в работах М.Д. Мосесова, В.П. Попова и А.Ю. Давиденко. Она представлена в таком виде:

± = а0-е"<"к- (7) сП "

Здесь я - характеристика, отражающая склонность материала к

трещинообразованию при определенных условиях внешнего воздействия, м/с; аа - характеристика, отражающая интенсивность процесса

трещинообразования, величина безразмерная. Поскольку ранее было принято условие, что характер приложения гидростатического давления изменяется по линейному закону, что соответствует стандартным условиям испытания бетона на водопроницаемость, то справедливо равенство:

<7 = К-г, (8)

или

dt

Заменяя переменные в уравнении (7) получим зависимость:

^L - —. JÍL = £к. exp(atf • er / w) ■ 00) da dt der К

Выполняя замену ß — ci J К. ■> имеем!

~ = ßwexp(aK-a-/w)- О1) der

Интегрируя уравнение (11), получим:

BJV

ОТ-

с В IV

1 - J Bw ехр■ er / w)der = —1í¡— exp(aw • а / w)| " =

= -0-/^-1)- О2)

Уравнение (12) показывает зависимость длины образовавшейся в бетонном элементе приведенной трещины от уровня действующего гидростатического давления. Подставляя полученное уравнение (12) в уравнение (6) получаем зависимость:

—ттст*\УВ„ [ехр(а„ • / П. -1)] • (1 - //2) = 21/ ■ (2 -2°)

2 Ч

В предельной стадии разрушения материала, когда ег = п', получаем уравнение:

——лЛг3В [ехр(сх -1)1- (1 -//') = 21" (2-21>

2Еаи

Из этого уравнения находим значения водопроницаемости:

IV = з 4Еуа» (2-22)

\яЯк[ехр(аг„-1)](1-^)

где IV - водопроницаемость бетона. Па; Е - модуль упругости бетона. Па; V - поверхностная энергия бетона. Дж/'м2; // - коэффициент Пуассона;

Вл - склонность бетона к трещинообразованию при

гидростатическом давлении, Па/м; а - интенсивность трещинообразования при

гидростатическом давлении, величина безразмерная.

Анализ полученной зависимости показывает, что водопроницаемость бетона является функцией совокупности начальных физико-механических характеристик материала (модуля упругости, поверхностной энергии и коэффициента Пуассона) и двух кинетических характеристик (склонности бетона к трещннообразованию и интенсивности трещинообразования в условиях гидростатического давления). Последние две характеристики являются параметрами, зависящими от интенсивности внешнего воздействия на бетон, т.е. от скорости приложения гидростатического давления.

В третьей главе произведено обоснование выбранных методов экспериментальных исследований, осуществлено планирование эксперимента, приведены и проанализированы результаты экспериментальных исследований.

При проведении экспериментальных исследований значения модуля упругости Е и коэффициента Пуассона и определялись с помощью серийно выпускавшегося прибора УКБ-1м, имеющего осциллографический экран. Поверхностная энергия у определялась на образцах специальной формы в виде пластин, которые подвергались растяжению в разрывной машине, по специальной методике.

Водопроницаемость бетона определялась по методике «мокрого пятна» ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Метод определения водонепроницаемости».

При проведении экспериментальных исследований, составы бетона подбирались в соответствии с требованиями нормативных документов и принятых методик расчета. Учитывая условия планирования эксперимента, было исследовано шестнадцать составов бетонов. Испытуемые составы различались по виду и расходу цемента, водоцементному отношению, а также по наличию химической добавки. Составы экспериментальных бетонов приведены в таблице 1.

Результаты экспериментальных исследовании приведены в таблице 2.

Поскольку до настоящего времени не разработаны методики определения значений кинетических характеристик разрушения бетона, по результатам экспериментальных исследований было подсчитано значение их совокупности для условий испытания бетона на водопроницаемость, соответствующих методу «мокрого пятна»

ГОСТ 12730.5-84 »„_, среднее значение последней составило

В„ [ехр(^ -1)]

0,00094 Па/м.

и

Таблица ] - Составы исследуемых бетонов

№ п. л. Вид цемента Расход цемента, Ц, кг/м3 Водо-цемептное отношение , в/ц Состав бетонной смеси но .массе, Ц:П:Щ Расход химической добавки «Пластил-У» % от Ц

1 Быстро-твердеющий портландцемент 400 0,38 1:1.60:3.19 -

2 400 0,55 1:1.53:3,04 -

3 600 0,38 1:0,79:1.58 -

4 600 0,55 1:0,73:1,45 -

5 Алюминат- ный портландцемент 400 0,38 1:1,60:3.19 -

6 400 0.55 1:1.53:3.04 -

7 600 0,38 1:0,79:1,58 -

8 600. 0.55 1:0,73:1,45 -

9 Шлако-портландцемент 480 0,65 1:0,84:1,68 -

10 320 0.65 1:1.82:3,63 -

11 480 0,48 1:1,91:1,81 -

12 320 0,48 1:1,95:3.89 -

13 480 0,65 1:0,84:1,68 0,38

14 320 0,65 1:1.82:3.63 0.22

15 480 0,48 1:1,91:1,81 0,38

16 320 0.48 1:1.95:3.89 0,22

Результаты выполненного экспериментального исследования и их анализ, подтвердили правильность и достоверность использования энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения для описания процессов разрушения бетона и показали, что по совокупности начальных физико-механических характеристик можно прогнозировать такой параметр бетона, как его водопроницаемость.

со м | е ^ и о о Коэффициент Пуассона, И Модуль упругости Е, МП а Удельная поверхностная энергия, V, Дж/м2 Коэффициент сцепления первого рода, К1с, (П/м)-"2 Марка бетона по водопрони-щтаемости, ГОСТ 12730.5-84*, \\'х1()1МПа

1 0,227 38468,5 3,92 54,86 4

2 0.218 27027,3 1,33 26,77 4

3 0.160 33426,1 2,78 43,10 6

4 0,213 28873,9 2,91 41,00 6

5 0.243 27262.6 1,42 27,79 2

6 0.251 23588,3 0,56 16,08 2

7 0.219 30537,2 0,47 16,98 2

8 0.241 25514,4 0,52 16,26 2

9 0.229 26041,2 1.15 24.44 4

10 0,251 19116,4 1,11 20,63 2

11 0.211 30940,5 2,65 40,48 4

12 0.229 26900.1 3.02 40,22 2

13 ■ 0.180 25313,1 3,62 42,77 6

14 0.220 24906,2 2,69 36,61 4

15 0.168 27991,4 5,21 53,98 8

16 0.227 26151,3 5,53 53,76 4

Экспериментально подтверждена возможность определения водопроницаемости бетона по совокупности начальных физико-механических характеристик и совокупности кинетических характеристик для условий испытания бетона по ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» (по методике «мокрого пятна») с достаточной для практических целей точности ±20%.

Кроме того, экспериментально были подтверждены ранее полученные другими исследователями данные о влиянии на водопроницаемость бетона таких технологических параметров, как расход цемента, воды затворения, содержания в цементе трёхкалъциевого аллюмипата и наличие химической добавки.

В четвертой главе приведены авторские методики по определению водопроницаемости бетона:

- оперативный метод определения водопроницаемости бетона в лабораторных условиях;

- оперативный метод определения водопроницаемости бетона в условиях строительной площадки л на эксплуатируемых конструкциях;

- оперативный акустический метод контроля водопроницаемости бетона, который можно применить в условиях строительной площадки и на эксплуатируемых конструкциях.

Все методики включают в себя требования, предъявляемые к изготовлению и хранению испытуемых образцов, а также подготовки их к испытаниям. Подробно описаны методики и приборная база для определения начальных физико-механических характеристик. Приведена зависимость для подсчета значении водопроницаемости бетона.

Апробация способов определения водопроницаемости бетона выполнялась на строящихся объектах г.Самары и эксплуатируемых энергетических объектах Саратовской области. Вариация полученных результатов была в диапазоне 16-20%, что приемлемо для практических целей.

В этой же главе приведены рекомендации, применение которых позволит увеличить водостойкость бетона. В частности даны рекомендации по изменению составов бетонов и технологии их выдержки и термообработки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследованы процессы разрушения бетона гидростатическим давлением, на базе основных положений механики разрушения. Показано, что разрушение бетона гидростатическим давлением носит дискретный характер и вызвано ростом и развитием первоначальных дефектов его структуры. Под действием гидростатического давления в устьях пор и микротрещин возникают расклшшвающие напряжения, превышающие по величине предел прочности материала на растяжение, что приводит к росту микротрещин на определённую длину. При повышении давления воды, до следующих уровней, имеет место дальнейший рост микротрещин и перерастание их в магистральные трещины. Рост магистральных трещин приводит к их выходу на противоположную поверхность бетонного элемента, что способствует свободной фильтрации воды через последний. Процесс разрушения бетона начинается в наиболее слабых местах его структуры там, где имеется скопление большого числа микродефектов, либо присутствует один, но значительный по размерам дефект в виде крупной макропоры и микротрещины.

2. Разработана математическая модель разрушения бетона гидростатическим давлением, базирующаяся на энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения, которая показала, что водопроницаемость бетона

зависит от совокупности трёх начальных физико-механических характеристик бетона: поверхностной энергии, модуля упругости и коэффициента Пуассона и двух кинетических характеристик, учитывающих интенсивность загружения бетонного элемента гидростатическим давлением: склонности бетона к трещинообразованию и интенсивности трещинообразования при гидростатическом давлении.

3. Экспериментально подтверждена правильность и достоверность выполненных теоретических исследований процессов разрушения бетона гидростатическим давлением и доказана возможность использования для исследования и описания процессов разрушения бетона гидростатическим давлением энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения.

4. Экспериментально подтверждена возможность определения водопроницаемости бетона по совокупности начальных физико-механических характеристик бетона: поверхностной энергии, модулю упругости и коэффициенту Пуассона и совокупности кинетических характеристик, для условий испытания бетона по ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Метод определения водопроницаемости» (методике «мокрого пятна»). Среднеквадратичное отклонение значения водопроницаемости по предлагаемому методу с использованием подсчитанных средних значений совокупности кинетических характеристик составляет 0,66^/.

5. Экспериментально определены значения совокупности . кинетических характеристик разрушения бетона

гидростатическим давлением, для условий испытания бетона на водопроницаемость по ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Метод определения водопроницаемости» (метод «мокрого пятна»). Достаточно близкие их значения, определённые на составах бетона отличающихся водопроницаемостью, объясняют факт, наблюдавшийся ранее многими исследователями: водопроницаемость бетона, определённая в одинаковых условиях гидростатического загружения, зависит от начальной структуры бетона.

6. Результаты экспериментальных исследований показали

■ хорошую корреляцию, существующую между водопроницаемостью бетона и коэффициентом Пуассона, а та кисе водопроницаемостью и коэффициентом сцепления

■ первого рода. Так значения коэффициентов корреляции между этими характеристиками бетона составшш 0,887 и 0,748,

соответственно, при среднеквадратичных отклонениях равных 0,500\У и 0,685XV соответственно.

7. Разработаны три оперативных методики определения водопроницаемости бетона, не требующие громоздкого и энергоёмкого оборудования и значительных затрат времени на проведения испытания. Представлены инструкции их применения.

Первый метод рассчитан на применение в условиях строительных лабораторий и основан на определении значений модуля упругости и коэффициента Пуассона ультразвуковым способом на образцах-кубах, используемых для определения класса бетона по прочности на сжатие. Значения поверхностной энергии при реализации этого метода определяются на образцах специальной формы, испытываемых на разрыв.

Второй метод может быть использован как в условиях строительной лаборатории, так и на строящихся или эксплуатируемых объектах. При реализации этого метода значения модуля упругости и коэффициента Пуассона определяют ультразвуковым способом либо на образцах-кубах (строительная лаборатория), либо на возведённых конструкциях. Значения поверхностной энергии определяют методам сверления также либо на образцах-кубах (строительная лаборатория), либо на возведённых конструкциях.

Третий метод основан на использовании корреляционной зависимости, существующей между водопроницаемостью и коэффициентом Пуассона. При этом в возведённой или эксплуатируемой конструкции ультразвуковым способом определяют значения коэффициента Пуассона и по существующей корреляционной зависимости находят значения водопроницаемости. Это метод может также использоваться в лабораторных условиях, когда значения коэффициента Пуассона определяют ультразвуковым методом на образцах-кубах.

8. Апробация разработанных методов определения водопроницаемости бетонов, выполненная на строящихся объектах г.Самары и эксплуатируемых энергетических объектах Саратовской области показали, что разработанные оперативные методы определения водопроницаемости бетона обладают оперативностью, относительно просты в применении и дают погрешность в пределах не превышающих 20%.

Основные положения диссертации опубликованы в тринадцати работах, в том числе две статьи в рецензируемых изданиях, определённых ВАК РФ:

1. Попов Д.В. Моделирование процесса разрушения бетона гидростатическим давлением на базе механики разрушения [Текст] / С.Ф. Коренькова, В.П. Попов, Д.В. Попов // - М.; Известия ВУЗов. Строительство, 2010. - №>10. С.3-6.

2. Попов Д.В. Математическая модель деструкции бетона гидротехнических сооружений гидростатическим давлением на базе механики разрушения [Текст] / С.Ф. Коренькова,

B.П. Попов, Д.В. Попов // Научно-практический журнал «Природообустройство», 2012 №5, С.46-49.

Одиннадцать публикации в других изданиях:

3. Попов, Д.В. Использование механики разрушения для описания водопроницаемости бетона [Текст] / В.П. Попов,

C.Ф. Коренькова, Д.В. Попов // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения. Восьмые академические чтения РААСН. — Самара: СГАСУ, 2004. - С. 426-427.

4. Попов, Д.В. О чувствительности энергетических параметров разрушения к состоянию и свойствам структуры цементных композитов [Текст] / С.Ф. Коренькова, Д.В. Попов // - М.; Сборник трудов секции «Строительство» РИА, Вып.5, 4.2. -С. 36-38.

5. Попов Д.В. Теоретические аспекты разрушения бетона статическим гидравлическим давлением [Текст] / С.Ф. Коренькова, В.П. Попов, Д.В. Попов // - М.; Строительный вестник РИА. Вып.6, 2005.-С. 102-103.

6. Попов Д.В. О кинетике разрушения бетона гидростатическим давлением [Текст] / С.Ф. Коренькова, Д.В. Попов // - М.; Строительный вестннк РИА. Вьш.7, 2006. - С.93-94.

7. Попов Д.В. Исследование кинетики разрушения бетона, работающего в условиях гидростатического давления [Текст] / С.Ф. Коренькова, Д.В. Попов // - М.; Строительный вестник РИА. Вып.9, 2008. - С.74-75.

8. ■ Попов Д.В. Применение механики разрушения к

исследованию процессов воздействия гидростатического давления на бетон [Текст] / С.Ф. Коренькова, Д.В. Попов // Тезисы VII Международной конференции «Проблемы

прочности материалов и сооружений на транспорте» - Санкт-Петербург: ПГУПС, 2008. - С.116-117.

9. Попов Д.В. оперативный метод определения водопроницаемости бетонов на основе акустических методов [Текст] / С.Ф. Коренькова, В.П. Попов, Д.В. Попов // - М.; Строительный вестник РИА. Вып.11,2010. - С.102-103.

10. Попов Д.В. Опыт применения энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения для прогнозирования долговечности бетона [Текст] / С.Ф. коренькова, В .П. Попов, АЛО. Давиденко, Д.В. Попов //' Материалы научно-технической конференции к 100-летию Полака А.Ф. - Уфа, УГНТУ, 2011. - С.219-223.

11. Попов, Д.В. Математическая модель разрушения бетона под давлением воды [Текст] / С.Ф. Коренькова, В.П. Попов, Д.В. Попов // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы XV академических чтений РААСН — Международной научно-технической конференции. — Казань: КГАСУ, 2010. — Том И. С. 26-28.

12. Попов Д.В. Оперативный акустическшЧ метод контроля водопроницаемости бетона гидротехнических сооружений [Текст] / Д.В. Попов // «Вестник СГАСУ. Строительство и Архитектура» - Самара: СГАСУ, 2012. - Вып.З. С.66-67.

13. Попов Д.В. Оперативный метод определения водопроницаемости гидротехнического бетона на базе механики разрушения [Текст] /' Д.В. Попов // «Вестник СГАСУ. Строительство и архитектура» - Самара: СГАСУ, 2012.- вып.4. С.76-77.

Поданы две заявки на изобретение.

Научное издание

Попов Дмитрий Валериевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Автореферат

Подписано в печать 11.11.2013 г. Формат 60х84'/|6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,25. Усл.-печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 15073

Отпечатано в типографии ООО "СамЛюксПринт" 443095 Самара, ул. Ташкентская, 151А Тел.: (846) 927-07-09.

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное

Учреждение Высшего Профессионального Образования «Самарский государственный архитектурно-строительный

университет»

04201452773

Па правах рукописи

ПОПОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРИЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических паук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Коренькова С.Ф.

Самара 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ДОСТИЖЕНИЙ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В0Д011РОНИЦАЕМОСТИ БЕТОНА..........................................................................10

1.1. Современное состояние механики разрушения бетона..............10

1.2. Обзор способов определения водопроницаемости бетона..........32

1.3. Постановка задачи исследования.........................................47

Глава 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ......................49

2.1. Обоснование возможности применения энергетической концепции и кинетической теории механики разрушения для исследования процессов разрушения бетона гидростатическим давлением.....................................................................49

2.2. Исследование процессов разрушения бетона гидростатическим давлением на базе механики разрушения...............................64

2.3. Выводы по главе 2...........................................................74

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ......................................................\.............76

3.1. Обоснование методов экспериментальных исследований.........77

3.2. Анализ результатов экспериментальных исследований............93

3.3. Выводы по главе 3.........................................................104

Глава 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРИГИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................105

4.1. Инструкция по применению метода определения водопроницаемости бетона..............................................105

4.1.1. В лабораторных условиях...............................................105

4.1.2. В условиях строительной площадки..................................112

4.2. Инструкция по практическому применению оперативного акустического метода определения водопроницаемости

бетона.........................................................................117

4.3. Рекомендации по совершенствованию технологии получения бетонов повышенной водонепроницаемости.........................122

4.4. Выводы по главе 4.........................................................125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................127

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.......................................*...........132

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты проведения промышленного испытания метода

определения водопроницаемости бетона по авторской методике...........................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших характеристик, определяющих долговечность

бетонов гидротехнических сооружений и подземных частей зданий и

сооружений, является водопроницаемость. Особенно это важно для

конструкций, имеющих небольшую толщину и работающих в условиях

значительного гидростатического давления. Бетоны, обладающие низкой

водопроницаемостью, со временем начинают активно фильтровать воду,

которая проникая через бетонную толщу, вымывает портландтидную

составляющую. Удаление последней из структуры бетона приводит к

разрушению скелета этого материала и появлению в нем сквозных

магистральных трещин. В конечном итоге вследствие этого полностью

теряются несущие и водоизолирующие свойства конструкций, и возникает

аварийное состояние. При этом на поддержание условий нормальной

эксплуатации затрачиваются значительные средства и трудовые ресурсы.

Водопроницаемость бетона при возведении сооружений определяется в

лабораторных условиях при подборе составов бетонов и контроле их

качества. В реальных конструкциях на одних и тех же составах бетона можно

получить водопроницаемость отличную от определённой в лаборатории. Это

объясняется тем, что на строительной площадке не редки случаи нарушения

технологии укладки и уплотнения бетонной смеси и зачастую, отсутствует

операционный контроль. При этом до сих пор нет надёжного и достаточно

простого способа определения водопроницаемости бетона в реальных

готовых конструкциях. Все современные оперативные методы контроля

материалов имеют научную основу и базируются на солидных теоретических исследованиях. В нашем случае, поскольку разрушение бе юна гидростатическим давлением сопровождается появлением и развитием микротрещин, в качестве теоретической основы самым целесообразным вариантом будет использование аппарата механики разрушения бетона для описания указанных деструкционных процессов. Точное описание последних позволит выделить параметры бетона, определение которых позволш прогнозировать его водопроницаемость, в том числе и в готовых конструкциях.

Как наука механика разрушения бетона находится пока в начальной стадии развития и делает первые шаги. Однако опыт практического применения результатов использования механики разрушения для прогнозирования поведения бетона показывает перспективное 1ь исследований выполняемых в этом направлении. Особенностью механики разрушения бетона является то, что она имеет дело с достаточно сложным по структуре материалом, представляющим собой конгломерат композитов, имеющих различные физико-механические характериешки, которые сложно как физически, так и химически взаимодействуют друг с другом. Поэтому для него не всегда применимы подходы, используемые для таких относительно однородных материалов как стекло, сталь, пластмассы и других, на которых были теоретически выведены и экспериментально проверены основные положения современной механики разрушения.

В данной работе были выполнены теоретические исследования в области описания процессов разрушения бетона гидростатическим давлением. 11о результатам исследований выделены параметры структуры бетона, по которым возможно прогнозирование его водопроницаемости. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие правильное п, и обоснованность основанных теоретических положений. Разработаны три оперативных метода определения водопроницаемости бетона, два из которых могут быть использованы в условиях строящихся и эксплуатируемых объектов.

Цель работы; Исследование процессов разрушения бетона гидростатическим давлением с применением энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения и разработка оперативных методов определения водопроницаемости бетона.

Задачи исследования:

- описание процессов разрушения бетона гидростатическим давлением с обоснованием возможности применения энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения для этой цели;

- определение начальных физико-механических характеристик бетона, способных противостоять его разрушению и кинетических характеристик, квалифицирующих скорость разрушения материала гидростатическим давлением;

- экспериментальное доказательство возможности использования

энергетической теории и кинетической концепции механики

разрушения для описания процессов разрушения бетона гидростатическим давлением;

- разработка оперативных методов определения водопроницаемости бетона и их апробация.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выполнено математическое описание процесса разрушения бетона гидростатическим давлением и обоснована возможность применения энергетической теории и кинетической концепции механики разрушения бетона;

- определены начальные физико-механические характеристики бетона, от которых зависит сопротивление бетона гидростатическому давлению;

- определена совокупность значений кинетических характеристик процесса разрушения бетона, отвечающая за интенсивность приложения гидростатической нагрузки.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением в качестве основы теоретических исследований основных положений механики разрушения, прошедших апробацию временем и использованием при выполнении экспериментальных исследований широко применяемых в практике методов и аппаратурной реализации.

Основные положения выносимые на защиту:

- математическое описание процессов разрушения бетона гидростатическим давлением;

- результаты экспериментальных исследований подтверждающих возможность использования полученной математической модели для прогнозирования поведения бетона при действии гидростатического давления;

- установление зависимости водопроницаемости бетона от коэффициента Пуассона и коэффициента сцепления первого рода;

- три методики оперативного определения водопроницаемости бетона. Практическая значимость работы заключается в разработке трёх

оперативных методов определения водопроницаемости бетона, которые могут быть применены как в условиях строительной лаборатории при подборе составов и контроле качества бетона, так и в возводимых и эксплуатируемых зданиях и сооружениях.

Реализация работы Апробация способов определения водопроницаемости бетона выполнялась на строящихся объектах г.Самары и эксплуатируемых энергетических объектах Саратовской области, в рамках выполнения хоздоговорных работ с предприятиями:

Апробация работы Основные положения диссертационной работы

докладывались и представлялись на VIII академических чтениях РААСН

«Современное состояние и перспектива развития строительного

материаловедения», г.Самара, 2004г.; VII международная конференция

«Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», г. Санкт-

Петербург, 2008г.; XV Международной научно-технической конференции

«Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», Казань, 2010г.; Научно-технической конференции к 100-летию Полака А.Ф., Уфа, 2011г.

По результатам исследований опубликовано 13 статей и тезисов доклада.

Структура и объемы работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников, приложений. Работа изложена на 171 страницах машинописного текста, содержит 9 иллюстраций и 5 таблиц. Список использованных источников включает 258 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ДОСТИЖЕНИЙ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ

БЕТОНА

1.1. Современное состояние механики разрушения бетона

Бетон является одним из самых распространённых строительных материалов, активно применяемых в строительстве, как в прошлом, гак и в настоящее время, поэтому изучению закономерности его разрушения и выявлению причин образования и распространения трещин в его структуре в условиях внешних воздействий посвящено большое количество исследований. Детальное изучение физики и механики разрушения бе юна позволяет обоснованно производить подбор составов этого материала и определять максимальное сочетание допустимых нагрузок.

В инженерных расчетах обычно используются методы прикладной механики, при помощи которых рассчитывается напряженно-деформированное состояние конструкций, а процессами изучения разрушения материалов на микроскопическом и макроскопическом уровнях занимается наука называемая материаловедение. Прикладная механика разрушения занимается изучением причин образования трещин и определением параметров раскрытия и роста трещин в единичном конструктивном элементе и при оговоренных условиях загружепия на макроскопическом уровне. Процессы микро- и макро- разрушения твердого

тела объединяют в себе аналитические и экспериментальные способы решения краевых задач прикладной механики.

Методы механики разрушения бетона представлены двумя направлениями. В первом направлении распространение трещин в бетоне описывается математическим аппаратом линейной механики разрушения (ЛМР), основанной на гипотезах, заложенных в основах лого научного направления. Во втором направлении для описания процессов распространение трещин в бетоне используются методы нелинейной механики разрушения (НЛМР). Второе направление используется при исследовании усталостных разрушений, при которых в окрестностях трещин наблюдаются зоны пластического течения, а сам процесс разрушения носит вязкий (пластический) характер. При реальной работе любой конструкции большую часть времени она работает без видимых разрушений, затем образуется видимая невооруженным взглядом трещина, которая продолжает расти до момента полного разрушения бетонного образца.

Физика и механика разрушения бетона паука молодая, по уже имеет

некоторые теоретические и практические результаты и сложности.

Сложность применения основ классической механики разрушения к бетону

обусловлена тем, что бетон как конструкционный материал отличается

многокомпонентностью и значительным влиянием свойств каждого из

компонентов, входящих в его состав, на его физико-механические

характеристики. Как самостоятельная наука, механика разрушения бетона,

занимается исследованием вопросов, связанных с повышением прочности,

трещиностойкости и долговечности этого материала. Научные труды H.H. Ахвердова, В.В. Бабкова, Ю.М. Баженова, О.Я. Берга, A.A. Гвоздева, Г.И. Горчакова, И.М. Грушко, Е.А. Гузеева, Ю.В. Зайцева, Ю.А. Ивагценко, П.Г. Комохова, С.Ф. Кореньковой, P.O. Красновского, С.II. Леоновича, II.И. Макридина, Н.В. Михайлова, М.Д. Мосесова, А.П. Пака, В.В. Панасюка, В.Г. Пашковского, В.А. Перфилова, А.Б. Пирадова, В.П. Попова, Г.Я. Почтовика, П.А. Ребиндера, Г.П. Черепанова, В.П. Шевченко, В.И. Ягуста и других ученых заложили основы механики разрушения бетона, но пока не дали ответы на все вопросы, связанные с процессами разрушения бетона.

Длительное время процесс разрушения твердого тела воспринимался как мгновенный, проявляющийся при достижении предельных нагрузок. При этом структура тела рассматривалась как однородная среда. О том, что теоретическая прочность твердых тел значительно выше, прочности тел определяемой на практике, было доказано позже. Так, изучая свойства кристаллов соли А.Ф. Иоффе [90] отметил, что процесс разрушения протекает не по всему сечению кристалла, а в местах, имеющих резкую поверхностную неоднородность. Такой неоднородностью явилась микротрещина, в устье которой концентрировались напряжения, и под воздействием внешней нагрузки увеличивалась ширина её раскрытия. Вследствие этого происходило деление кристалла соли на две части. Результаты опыта позволили объяснить причины отличия прочности рассчитанной теоретически от определяемой на практике.

В современной физике и механике разрушения бетона, как науке, существует два основных подхода к анализу причин образования и развития трещин и описанию этого процесса:

- энергетический подход, основанный на теории сохранении и превращении энергии;

- механистический подход, рассматривающий условия равновесия действующих на трещину внешних и внутренних сил.

Энергетический подход был сформулирован основателем механики разрушения А.А.Гриффитсом [244], который обосновал зависимость физико-механических параметров структуры твердого тела и размеров существующего в нём дефекта от реальной прочности тела. Подход был постулирован для хрупких и однородных материалов, а в качестве дефекта в нём рассматривалась микротрещина.

Согласно А.А.Гриффитсу, в процессе деформации происходит накопление потенциальной энергии твердого тела и превращение её в поверхностную энергию вновь образовавшихся плоскостей трещины. Если энергия упругих деформаций превышает энергию потребную для раскрытия вновь образовавшихся плоскостей, происходит процесс распространения трещины в длину. Этот процесс приводит, в конечном счёте, к полному разрушению материала. Формула А.А.Гиффитса имеет следующий вид[1.1]:

<7

•2уЕ

ш

(1.1)

где а - размер трещины;

V - поверхностная энергия материала; ст - величина напряжения, действующего в теле; Е - модуль упругости материала.

Напряжения в материале и параметры трещин предельны в момент полного разрушения, при условии, что материал хрупок и однороден. У материалов, не обладающих хрупкостью, процесс образования и роста трещин связан с накоплением и ростом пластических деформаций.

Дж. Ирвин и Е. Орован в своих работах обосновали возможность применения энергетической концепции А.А.Гриффитса [244, 245, 246, 249] для материалов, обладающих пластичностью. При этом энергия разрушения была представлена как сумма истиной поверхностной энергии и энергии

пластической деформации У,и (244, 245, 246, 249). При этом эффективная поверхностная энергия или энергия разрушения в формуле (1.1) заменяет поверхностную энергию а формула (1.1) обретает следующий вид:

где вс=2у + упл, (1.3)

Позже, в работах Г.И. Баренблатта, И.В. Обреимова, П.А. Ребипдера, Я.Б. Фридмана, Е.П. Черепан�