автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Количественная оценка закономерностей трещинообразованияи долговечности бетонов

На правах рукописи

РГБ ОД

¿^Ш 2ППП

ПЕРФИЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Количественная оценка закономерностей трещинообразования и долговечности бетонов

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пенза-2000

Работа выполнена на кафедре строительных материалов и специальных технологий в Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии

Официальные оппоненты: - член-корр. РААСН, доктор технических наук,

профессор Селяев Владимир Павлович - доктор технических наук, профессор Макридин Николай Иванович - доктор технических наук, профессор Козомазов Владимир Николаевич

Ведущая организация: ООО «Волгоградский завод строительных

Защита состоится 20 декабря 2000 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 064,73.01 в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28, корпус 1, конференц—зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Отзыв на автореферат диссертации в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Титова, 28, Пензенская государственная архитектурно-строительная академия, ученому секретарю диссертационного совета Д 064.73.01.

Автореферат разослан 20 ноября 2000 г.

материалов»

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Худяков

Н 33^.006.22 ,0

п

Общая характеристика работы Актуальность. Одним из путей решения задач в области строительства является повышение надежности и долговечности материалов, применяемых в конструкциях зданий и сооружений. Проблема качества наиболее распространенных железобетонных конструкций связана с увеличением прочности и деформативных свойств бетона. Постоянно возрастающие требования к физико-механическим свойствам бетона диктуют широкое применение новых и эффективных методов для более точной и достоверной количественной оценки параметров разрушения, вскрытия дополнительных резервов несущей способности бетонов, повышения их срока службы в условиях эксплуатации. Практически в любом материале, в том числе бетоне, имеются дефекты в виде пор, капилляров, трещин и других несплошностей структуры. Они возникают либо при изготовлении бетона, либо образуются в процессе эксплуатации под действием нагрузок и окружающей среды. В процессе длительного постепенно развивающегося во времени разрушения под действием нагрузки происходит развитие дефектов с образованием микро-и макротрещин, которые могут привести к исчерпанию несущей способности конструкций из бетона. Продвижение трещин может происходить устойчиво по мере увеличения уровня или продолжительности действия нагрузки и неустойчиво, при снятии нагрузки, приводящее, в конечном итоге, к мгновенному разрушению. Создание современных комплексных, наиболее информативных и легкодоступных методов для обнаружения, контроля и прямого измерения параметров роста трещин позволит производить целенаправленное конструирование или подбор оптимальных составов бетона с заранее прогнозируемыми физико-механическими свойствами. Это послужит основой для более аргументированной количественной оценки долговечности и остаточной прочности бетонов в условиях эксплуатации.

Экспериментально- теоретические исследования и

разработанные на этой основе рекомендации по определению трещиностойкости и долговечности различных видов бетона внесут определенный вклад в решение важных производственных задач по сокращению материальных затрат на строительство, эксплуатацию и ремонт конструкций зданий и сооружений, что определяет практическую и научную актуальность работы.

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских тем, разработанных в Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии: «Исследование и разработка рекомендаций по определению энергии разрушения и долговечности бетона при сжатии и изгибе» в 1988-1989 гг. (№ гос. per. 01890039085), в рамках научно-технической программы «Архитектура и строительство» в 1993-1999 годах выполнена работа по теме:»Разработка новой методики, оборудования и аппаратуры для количественной оценки трещиностойкости и долговечности жаростойких и обычного бетонов по параметрам подрастания трещин испытуемых образцов при различной скорости их нагружения».

Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании закономерностей процессов трещинообразования и разрушения бетонов, в количественной оценке параметров трещиностойкости и долговечности на основе общего подхода, объединяющего методы механики разрушения, акустической эмиссии, кинетической теории прочности и закономерности роста трещин при различной скорости нагружения образцов для прогнозирования физико-механических свойств и оптимизации структуры бетонов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать составы бетонов, структура которых включает различные виды, размер и количество заполнителей с использованием нескольких

видов вяжущих, что будэт способствовать созданию

наиболее универсальной и комплексной методики контроля за ростом трещин;

- установить влияние капиллярно-пористой структуры на изменение параметров трещиностойкости при исследовании сорбционных свойств и структурных характеристик применяемых для испытаний бетонов, в том числе с учётом влияния различных факторов (В/Ц, возраст и условия твердения, влажность, температура и т.д.);

- исследовать возможность определения скорости роста трещин в условиях стабильного характера разрушения с получением полных диаграмм деформирования бетона и зависимости \ЛК,;

- изучить влияние размеров образцов, глубины надреза (инициируемой трещины), вида напряжённого состояния, скорости нагружения при испытании цементного камня, раствора и бетона с использованием демпфирующего элемента переменной жёсткости к стандартному прессу;

- определить влияние крупного заполнителя (вид, размер и количество), зоны контакта "матрица - заполнитель", а также различных факторов на изменение прочности и трещиностойкости бетонов в условиях равновесных испытаний;

- провести комплексные исследования вязкости разрушения различных видов бетонов с одновременным определением параметров роста трещин тензометрическим и акустико-эмиссионным методами;

- изучить связь параметров акустической эмиссии и вязкости разрушения бетонов с установлением зависимости скорости роста трещины - V, коэффициента интенсивности напряжений - К, от суммарного счёта и скорости счёта акустической эмиссии;

- определить влияние скорости нагружения, ширины раскрытия трещины и других факторов на изменение характеристик трещиностойкости при одновременном получении полных диаграмм разрушения и акустических параметров бетона;

- исследовать влияние скорости нагружен»« образцов различных видов бетонов на изменение их прочности, трещиностойкости и долговечности;

- установить влияние различных факторов, в том числе высоких температур, на изменение количественных характеристик прочности, трещиностойкости и долговечности различных видов и составов бетона;

- проанализировать процесс образования и развития трещин в бетонах с позиций механики разрушения, акустической эмиссии, кинетической теории прочности и закономерностей роста трещин при различной скорости нагружения образцов;

- произвести количественную оценку полученных корреляционных зависимостей для разработки рекомендаций по испытанию, контролю и проектированию бетонов с прогнозируемыми физико -механическими свойствами.

Научная новизна работы состоит в следующем :

- установлены закономерности изменения скорости роста и ширины раскрытия трещин в условиях стабильного характера разрушения с одновременным использованием стандартизированной методики ГОСТ 29167-91 и дополнительно разработанного тензометрического устройства;

- получены новые данные по влиянию скорости нагружения ( в интервале от 10"'м/с до 10"4м/с) на изменение параметров вязкости разрушения бетонов в условиях равновесных испытаний;

- установлены закономерности изменения показателей трещиностойкости бетонов в зависимости от влияния размеров образцов, глубины, числа и расположения надрезов (инициируемой трещины), вида, размера и количества заполнителей и других факторов;

- установлена связь параметров акустической эмиссии и вязкости разрушения со скоростью нагружения образцов, при одновременном применении тензометрического и акустического методов выявлены границы микро- и макротрещинообразования бетонов с различным заполнителем;

- количественно определены параметры медленного роста трещин с получением зависимости «скорость трещины - коэффициент интенсивности напряжений» в процессе равновесных испытаний с применением тензометрической и акустической аппаратуры. На основании полученных зависимостей определено время до разрушения ( долговечность ) жаростойкого бетона при температуре нагрева 800° С ;

- разработаны метод и оборудование, позволяющие количественно определить трещиностойкость и долговечность различных видов бетонов по параметрам докритического роста трещин в испытуемых образцах при разной скорости их нагружения ;

- впервые получены экспериментальные данные по влиянию широкого интервала скоростей нагружения ( от 10"'м/с до 10'м/с ) на изменение прочности и трещиностойкости различных видов и составов бетонов. Такие данные являются основой для анализа субкритического подрастания трещин, определяющего долговечность бетона;

- на основе разработанного метода испытания образцов с различной скоростью нагружения количественно определены сроки службы (долговечность) бетонов, эксплуатируемых в условиях действия высоких температур и нагрузки;

- получена корреляционная зависимость с построением тарировочной кривой изменения параметра трещиностойкости от коэффициента динамического упрочнения;

- установлены закономерности изменения параметров роста трещин при испытании в условиях стабильного характера разрушения (тензометрический метод), по полным диаграммам деформирования с применением акустической аппаратуры и по прочности, полученной при различной скорости нагружения;

- на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований, внедрения результатов в производство развиты научно-прикладные основы для разработки оптимальных составов различных видов бетонов с заранее прогнозируемыми свойствами. Разработаны

составы легких и тяжелых ( с добавками ) бетонов с улучшенными характеристиками трещиностойкости.

Научная новизна работы подтверждена 3-ми патентами РФ.

Практическое значение работы. Предложен общий методологический подход количественной оценки параметров трещиностойкости и долговечности различных видов и составов бетонов, основанный на использовании методов механики разрушения, кинетический теории прочности, акустической эмиссии и закономерностей роста трещин при различной скорости нагружения образцов. Этот метод использован при разработке новых и совершенствовании известных составов бетонов с целью повышения их долговечности. Разработанные методика и аппаратура для количественной оценки трещиностойкости и долговечности в настоящее время используются: в лаборатории жаростойких бетонов и огнестойкости ж/б конструкций НИИЖБ при подборе составов и разработке новых видов жаростойких бетонов, а также для прогнозирования срока службы бетона в конструкциях при действии температуры и нагрузки (г. Москва), в лаборатории огнеупорных легких бетонов института "НИИКерамзит " (г. Самара), в "Рекомендациях по определению долговечности жаростойкого бетона "(ВНИИТПИ г.Москва), в тресте "Тракторремстрой" (г. Волгоград ), в проектно-производственном комплексе "ЭЖИП" (г. Волжский), в Волгоградском филиале АО "Тепломонтаж", на кафедре дорожно-строительных материалов ХАДИ (г. Харьков, Украина), в АО "Строительные материалы " (г. Волгоград) ,в АООТ "ЖБИ " N 6 и в АООТ "ЖБИ г. Волгоград), в КТБ " НИИЖБ " Инженерного центра "ЮгСтрой" (г. Волгоград), в ОАО "Проектстрой" (г. Волгоград), в тресте "Дормостстрой" (г. Волгоград), в Гос/дарственной противопожарной службе Главного Управления Внутренних дел Волгоградской области, в ОАО "Волгоградгоргаз", в тресте "Приволжтрансстрой" (г. Волгоград), на кафедрах строительных материалов и строительных конструкций Харьковского института инженеров городского хозяйства и др.

Опытное внедрение разработанных составов бетонов,

экономическая эффективность которых определяется снижением плотности, энергозатрат, расхода цемента при повышении прочности и трещиностойкости, позволило улучшить экологические состояние Волгоградского региона за счёт использования отходов вторичных ресурсов (" Алюминиевый завод ", загрязнённая пойма р. Волги, предприятия химической промышленности и др.).

Материалы работы используются в учебном процессе специальности 290600 " Производство строительных материалов, изделий и конструкций " на кафедре " Строительных материалов и специальных технологий " Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научно-технической конференции по механике разрушения бетона и железобетона (г.Севастополь, 1988г), Всесоюзной научно-технической конференции " Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и сооружений " (г.Челябинск, 1989г), ежегодных научно-технических конференциях ВолГАСА (г.Волгоград, 1988-2000г.г.), научно-техническом семинаре Харьковского автомобильно-дорожного института (г.Харьков, 1991г.), научно-технической конференции " Вопросы теплообмена в строительстве " (РИСИ, г.Ростов-на-Дону, 1992г.), научно-технической конференции "Эффективные жаростойкие материалы для строительства и реконструкции тепловых агрегатов промышленности строительных материалов" (УралНИИстромпроект, г.Челябинск, 1992г.), 1-й межвузовской конференции "Строительство" (г.Волгоград, 1994г.), 1-х Академических чтениях (г.Самара, 1995г.), международной научно-технической конференции "Проблемы строительного материаловедения и новые технологии" (БелГАСА, г.Белгород, 1995г.), п-х Академических чтениях (КазГАСА, г.Казань, 1996г.), международном семинаре "Экология, жизнь, здоровье " (Волгоград, 1996г.), межвузовской научно-технической конференции (г.Камышин, 1996г.), IV Академических чтениях (г.Пенза,

1998г.), международной научно- технической конференции

"Надёжность и долговечность строительных материалов и конструкций" (ВолгГАСА, г.Волгоград, 1998г.), международной научно-практической конференции "Экологическая безопасность " (ВолгГАСА, г.Волгоград, 1999Г.), научно-технической конференции (г.Магнитогорск, 1999г.), международной научно-практической конференции "Строительство-2000 " (РГСУ, г. Ростов-на-Дону, 2000г.), научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" (РГСУ, г. Ростов-на-Дону, 2000г.), научно-технической конференции, посвященной 70-летию строительного образования (ВолгГАСА, г. Волгоград, 2000) и др.

Личный вклад автора. Автором осуществлены: научное обоснование; разработка методик, оборудования и программы теоретических и экспериментальных исследований; анализ и обобщение результатов исследований с разработкой эмпирических зависимостей; экспериментальные исследования, в том числе в производственных условиях, внедрение результатов исследований в строительной индустрии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, в том числе одна монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 200 наименований и приложений. Содержит 404 страницы машинописного текста, в том числе 85 рисунков и 60 таблиц.

Основное содержание работы Введение. Обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные положения, которые выносятся на защиту. Изложены научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Обзор исследований общих закономерностей

трещинообразования и долговечности бетонов. Цель и задачи исследований

В настоящее время значительно усилился интерес к изучению процессов разрушения бетонов, что объясняется повышенными требованиями к его качеству при различных условиях эксплуатации. Структура бетона характеризуется большим количеством дефектов (микро- и макропоры, микротрещины, заполнители различной природы 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 трещин. Изучение особенностей разрушения бетона с учетом зарождения и развития трещин необходимо для получения бетона с более высокими прочностными характеристиками.

Большой вклад в решение вопросов, связанных с теорией повышения прочности, трещиностойкости и долговечности бетонов внесли: О.Я. Берг, Б.Г. Скрамтаев, С.Н. Журков, Ю.М. Баженов, И.Н. Ахвердов, A.A. Гвоздев, Е.А. Гузеев, Г.И. Баренблатт, Ю.В. Зайцев, И.А. Иванов, П.Г. Комохов, И.М. Грушко, М.Д. Мосесов, А.Н. Бобрышев, Г.Я. Почтовик, Фокин Г.А., В.П. Попов, В.В. Жуков, В.И. Шевченко, Е.М. Чернышов, А.П. Прошин, В.П. Селяев, В.И. Соломатов, E.H. Щербаков,

B.В. Панасюк, Н.И. Карпенко, А.Ф. Щуров, A.B. Яшин, Л.П. Орентлихер, Н.И. Макридин, А.Б. Пирадов, а также А.Г. Эванс, Ф. Виттман, С. Миндесс,

C. Видерхон, М. Каплан, Ф. Макклинтон, У. Браун, Д. Сроули и др.

Работ по количественной оценке параметров трещиностойкости и долговечности бетонов в настоящее время опубликовано недостаточно. До сих пор еще не разработана общая теория, объясняющая процесс разрушения бетонов, отсутствуют стандартные методы определения параметров их трещиностойкости и долговечности. В основе процессов трещинообразования бетонов под действием нагрузки лежат фундаментальные принципы физико-механической концепции разрушения

материалов. В последнее время с развитием методов механики разрушения (теории трещин) появляется возможность количественного определения параметров трещиностойкости и долговечности бетонов. В основе данного направления лежат два принципиальных подхода: энергетический и силовой, которые позволяют найти характеристики трещиностойкости, определяющие только критические условия развития трещин при разрушении бетонов.

Другой, кинетический подход к оценке длительной прочности материалов, учитывающий тепловое движение атомов, предложенный С.Н. Журковым, рассматривает разрушение как процесс, развивающийся во времени (процесс развития дефектов-трещин). Характеризовать этот временной процесс каким-либо критическим напряжением нельзя. Естественно характеризовать его временем от момента нагружения до полного разрушения. Кинетическая теория прочности и долговечности материалов имеет свои ограничения. Согласно ее предпосылкам даже при нагрузках близких к нулевым материал обладает ограниченной долговечностью, что является сомнительным ввиду «изменчивости» нагрузок и условий окружающей среды в процессе длительных сроков эксплуатации.

Для описания развития трещин в неоднородном материале, в том числе бетоне, необходимо определить основные параметры механики разрушения не только в начальный и конечный моменты нагружения, но и в процессе медленного роста трещин. В настоящее время точные числовые значения этих параметров установить сложно, так как экспериментальные данные ограничены, или противоречивы ввиду использования различных методик.

Для большинства процессов медленного роста трещин существует единое соотношение между скоростью их роста V и коэффициентом интенсивности напряжений К| при данных условиях окружающей среды. На основе методов механики разрушения с использованием зависимости V- К( ранее было получено уравнение долговечности (время до разрушения)

материалов. Однако эта формула чувствительна к точности экспериментального определения входящих в нее параметров, нахождение которых связано со сложностью испытаний. Это диктует совершенствование как теории, так и экспериментальных методов, лежащих в ее основе. Разрушение материалов характеризуется параметрами, одним из которых является скорость нагружения. Полученная ранее связь между методами механики разрушения и скоростью нагружения образцов с определением длительной прочности имеет свои ограничения, так как учитывает акты "залечивания" трещин в процессе длительного действия нагрузки, что не является свойственным для бетонов, подвергаемых воздействиям агрессивной среды или имеющих специфические особенности структуры. Проведенные параллельные испытания образцов из цементного камня и раствора по определению параметров медленного роста трещин и по прочности при различной скорости нагружения показали некоторые совпадения полученных результатов характеристик трещиностойкости. Однако наиболее достоверные данные были получены только для раствора. Это связано со сложностью испытаний на "двойное кручение", длительной подготовкой образцов-плит, а также с видом напряженного состояния (сжатие или растяжение) и другими факторами.

Исходя из проведенного анализа состояния вопроса следует, что количественная оценка трещиностойкости и долговечности различных видов и составов бетона может быть выполнена при наличии данных по сопротивлению зарождению и развитию трещин в процессе действия внешней механической нагрузки.

В качестве гипотезы исследований была предложена возможность создания методики определения трещиностойкости и долговечности бетонов, основанной на использовании современных теорий трещинообразования и разрушения материалов. Исследование механизма, контролирующего образование и рост трещин, дает возможность прогнозирования срока службы бетона в конструкциях. В

связи с этим определилась основная цель исследований, для достижения которой необходимо было решить ряд задач, сформулированных в заключении первой главы.

Глава 2. Исследование структурных характеристик цементного камня и бетонов, применяемых для определения параметров трещиностойкости

Исследования параметров прочности, трещиностойкости и долговечности проводились на бетонах различного вида и состава с учетом влияния таких факторов, как водоцементное отношение, возраст и степень гидратации вяжущего, вид, количество и крупность заполнителя, условия твердения, влажность, температура нагрева и т.д.

При определении параметров трещиностойкости основным критерием, влияющим на долговечность является структура бетона, включающая дефекты в виде пор, капилляров, трещин и др. Структура, в свою очередь, зависит от вида и состава бетона. В качестве исследуемых выбраны как обычные тяжелые бетоны, в том числе с добавками, так и легкие бетоны различного состава с наличием открытых и замкнутых пор определенного размера и количества.

Использование комплексной добавки, включающей природный бишофит Волгоградских месторождений, запас которого в НижнеВолжском регионе составляют около 500 млрд. тонн, позволило повысить подвижность бетонной смеси, сократить сроки твердения, увеличить плотность, прочность и трещиностойкость подобранных составов бетона.

Материалы, имеющие в своем составе большое количество пор {дефектов структуры), показывают низкие значения прочности и трещиностойкости. Для устранения этих недостатков были подобраны оптимальные составы легких бетонов с применением различных заполнителей и парообразователей. Использования керамзитового гравия, содержащего в своем составе сапропель, способствовало получению

легкого бетона с повышенными, по сравнению с обычным

керамзитобетоном, характеристиками прочности и трещиностойкости.

За счет применения высокоэффективных поверхностно-активных пенообразователей из отходов химической промышленности были получены составы пенобетонов, обладающие однородной ячеистой структурой, малой плотностью, но достаточной прочностью и трещиностойкостью.

Бетоны, имеющие в своем составе прочные и эластичные заполнители, обладают высокой трещиностойкостью. Этим требованиям удовлетворяет разработанный состав легкого бетона на органических заполнителях в виде очищенных от семян кукурузных початков.

Использование глиноземистого шлака (отход), мелкозернистого керамзита и фосфатного связующего (отход) способствовало получению легкого огнеупорного бетона с улучшенными характеристиками прочности, трещиностойкости и повышенной огнеупорностью при одновременном снижении плотности и сокращении сроков твердения без применения тепловой обработки.

Для исследования влияния различных факторов, в частности, температуры нагрева, на показатели прочности и трещиностойкости были использованы составы жаростойких бетонов на портландцементе, глиноземистом цементе и жидком стекле.

Исследования пористой структуры бетонов проводились сорбционным методом. В результате испытаний были получены изотермы адсорбции и десорбции паров воды, по которым определялось количество сорбционной влаги в единице массы материала. Построены гистограммы распределения объема пор по размерам. Количественно определены параметры интегральной и дифференциальной пористости цементного камня, цементно-песчаного раствора и исследуемых бетонов, в том числе, с учетом влияния различных факторов (В/Ц, возраст бетона, условия твердения, влажность, температура и т.д.).

Глава 3. Методы определения параметров макротрещин в условиях стабильного характера разрушения бетона

Применение методов механики разрушения к бетонам позволяет обнаружить и контролировать рост трещин, которые получают развитие под действием напряжений.. Определяемые при испытаниях показатели энергии разрушения вс и коэффициента интенсивности напряжений Кю в условиях нормального отрыва (наиболее опасного для роста трещин) в зависимости от методики испытаний и применяемого оборудования являются противоречивыми. Основной проблемой до настоящего времени остается достоверность полученных экспериментальных данных. Полные с нисходящей ветвью диаграммы деформирования бетона могут быть получены в условиях контролируемого мягкого нагружения образцов при соблюдении постоянной скорости деформирования. Для более полного учета параметров роста трещин необходимо одновременное определение таких характеристик, как длина трещины (не только начальная и конечная), а также скорость ее роста в любой промежуток времени. Проведенные ранее другими авторами испытания образцов-плит на двойное кручение не дают достоверных результатов при определении параметров трещиностойкости. Поэтому автором данной работы предлагается дополнительное устройство и аппаратура для одновременного прямого измерения скорости и ширины раскрытия трещин в процессе нагружения стандартных образцов. Согласно принятым техническим решениям в результате проведения одного испытания получили полную диаграмму деформирования, длину (путь) трещины, время ее роста вплоть до разрушения, а на их основе - скорость трещины, коэффициент интенсивности напряжений, а также работу и энергию разрушения бетона.

В результате проведенных исследований установлено, что изменение характеристик трещиностойкости в цементном камне, растворе и бетоне с учетом неоднородностей структуры является аналогичным как для больших образцов, так и образцов стандартных размеров. Необходимым условием при этом должно быть стабильное прорастание

трещины от начальных до конечных критических размеров. С увеличением размера образца возрастает длина трещины, соответственно увеличиваются показатели и К|. С минимальными ограничениями можно сделать вывод о том, что цементный камень, имеющий сравнительно однородную структуру, подчиняется требованиям линейной механики разрушения. По мере насыщения заполнителями (раствор и бетон), с увеличением их крупности проявляется нелинейность процесса разрушения материала. Установлены оптимальные размеры образцов при испытании на растяжение при изгибе: для цементного камня - 40*40*160 мм; для раствора - 40*40*160 мм и 50*50*320 мм, для бетона - 70*70*380 мм и 100*100*400 мм. При назначении глубины надреза (инициируемой трещины) образцов, испытываемых в условиях стабильного характера разрушения, относительно постоянные параметры трещиностойкости получены: для цементного камня и раствора при а=0.25 * О.БЬ), для бетона при а = 0.5* 0.7511.

Параметры вязкости разрушения подвержены изменению в зависимости от уровня и скорости приложения нагрузки. При увеличении скорости нагружения в процессе равновесных испытаний от 10"7 м/с доЮ"4 м/с энергия разрушения образцов из цементного камня возрастает на 26%, а коэффициент интенсивности напряжений - на 10%. Образцы из бетона при увеличении скорости нагружения в указанных пределах показали возрастание на 64% и К-|С на 27%.

Предлагаемые методика и аппаратура позволили на образцах стандартных размеров одновременно получить полную с нисходящей ветвью диаграмму деформирования и зависимость скорости роста трещины V от коэффициента интенсивности напряжений 1<1. Независимо от состава и размеров образцов полученные уравнения имели степенную зависимость. При статистической обработке результатов испытания в процессе логарифмирования были получены структурно-чувствительные постоянные материала А и п. Показатель степени п является параметром рещиностойкости для данного материала. Изменение

скорости роста подрастающей трещины в коэффициента интенсивности напряжений для выражается следующей формулой:

1д V = 1.38 + 17.561д ,

для раствора:

1д V = -3.5 + 15.471д ^ ,

для бетона:

!д V = -6.1 + 14.51д К, С увеличением неоднородности материалов, при переходе от

цементного камня к раствору и бетону возрастает наклон кривых к оси К!

(рис. 1), который характеризуется показателем степени п . Чем больше п ,

тем меньше способность материала к длительному сопротивлению

развитию образовавшихся трещин, тем выше скорость их развития.

зависимости от цементного камня

(1) (2) (3)

V, м/с

10'1 1СГ2

1(Г3 10~* 1СГ5 10"6

10'7 ю-8 ю-9 ю-10

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5. 1.6

К,, мн/м3®

Рис. 1. Зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений: 1 - цементный камень; 2 - цементно-песчаный раствор; 3 - бетон

Скорость докритического подрастания трещин в цементном камне

изменялась в пределах от 10"7 м/с до 10~2 м/с при соответствующем

увеличении коэффициента интенсивности напряжений от 0.38 МН/м3'2 до

0.65 МН/м372 . В цементно-песчаном растворе происходило более раннее

строгивзмие магистральной трещины, скорость которой

изменялась от 1СГ8 м/с до 10"3 м/с , а К, - от 0.56 МН/м3/2 до 1.19 МН/мм . Бетон характеризовался самым быстрым образованием макротрещин и длительным периодом их развития. При увеличении коэффициента интенсивности напряжений от 0.67 МН/м3/2 до 1.65 МН/м3'2 скорость подрастания трещины изменялась от 10"1С м/с до 10"* м/с.

Таблица 1

Влияние различных факторов на изменение трещиностойкости бетона

Наименование факторов МН/м2 Е, |СС, МН/м2 | Н/м К,о МН/м"2 ¡С М

Водоцементное отношение

0,3 4,6 29 800 120,3 1,89 0,169

0,4 3,9 28 300 89,6 1,6 0,168

0,5 3,39 27 400 59,2 1,28 0,143

0,6 3,1 26 900 48,5 1,14 0,136

Возраст бетона, сут.

7 2,7 25 800 35,6 0,96 0,124

14 2,98 26 300 44,9 1,09 0,133

28 3,22 27 150 53,5 1,21 0,14

65 3,39 27 400 59,2 1,28 0,143

влажность бетона, %

0 3,85 27 900 85,0 1,54 0,156

5,0 3,39 27 400 59,2 1,28 0,143

10,0 3,29 27130 52,3 1,19 0,130

15,0 2,97 26 500 48,4 1,13 0,145

Температура нагрева,0 С

20 3,39 27 400 59,2 1,28 0,143

110 2,43 23100 57,4 1,25 0,27

300 2,3 22 970 57,7 1,15 0,25

600 1,65 12 350 46,4 0,76 0,21

Распространение трещин по зоне контакта двух материалов (матрица -заполнитель) значительно отличается от трещиностойкости в однородных материалах. В результате проведенных экспериментов установлено, что во всех разрушенных образцах трещина развивалась только по поверхности контакта в месте действия растягивающей нагрузки. Независимо от вида купного заполнителя (известняк, гранит, кварцит) показатели вязкости разрушения Сс и К1с в контактной зоне в 2 - 2.5 раза

меньше аналогичных показателей в цементном камне и на порядок ниже, чем в плотном заполнителе.

Значительное влияние на изменение характеристик трещиностойкости бетона оказывает крупный заполнитель. С увеличением крупности заполнителя (гранитного) от 5 мм до 20 мм К1с возрастает на 23%. При повышении объема заполнителя с 40% до 70% показатель вязкости разрушения увеличился на 35%.

Количественная оценка параметров роста трещин в бетоне проводилась с учетом влияния таких факторов, как водоцементное отношение, возраст бетона (за счет продолжающейся гидратации вяжущего), влажность и повышенная температура (табл. 1). При снижении В/Ц с 0.6 до 0.3 энергия разрушения бетона увеличилась в 2.5 раза, а К,с -на 66%. Твердение бетона в течение двух месяцев привело к повышению показателя трещиностойкости на 33% при увеличении прочности на 25%. Согласно полученным экспериментальным данным при увеличении влажности бетона до15% параметры трещиностойкости снизились на 75%. Нагрев обычного тяжелого бетона оказывает значительное влияние на изменение параметров прочности и трещиностойкости. Результаты испытаний показали, что с повышением температуры нагрева до 600°С прочность бетона снизилась почти вдвое, а показатели трещиностойкости, соответственно, Сс - на 22% и К1с - на 40%.

Глава 4. Акустико-эмиссионный метод оценки вязкости разрушения бетонов

Проведены комплексные исследования вязкости разрушения бетонов с одновременным определением параметрров роста трещин тензометрическим и акустико-эмиссионым методами. При этом получены полные диаграммы разрушения образцов с регистрацией таких параметров, как нагрузка, деформация, амплитуда и скорость счета акустической эмиссии в соответствии с ГОСТ 27655-88. Для выявления общих закономерностей изменения вышеуказанных параметров

испытаниям подвергались бетоны с различным видом заполнителя. В процессее испытаний осуществляли запись диаграмм: "скорость счета N - деформация Г , «нагрузка Р - деформация Ь>. В результате проведенных испытаний выявлены три стадии развития трещин: 1 -уплотнение в интервале уровня нагрузки, составляющего от 0 до 30% от максимальной прочности; 2 - появление микротрещин и образование магистральной трещины в интервале 30-80% от ЯЬ( ; 3 - стабильное развитие макротрещин до полного разрушения бетона при уровне нагрузки выше 80% от Иы .

В настоящее время наиболее информативным параметром акустической эмиссии, сигнализирующим о приближении разрушения является суммарный счет N. Для количественной оценки парамеров разрушения были проведены испытания бетонов с минимальным количеством дефектов структуры. В процессе исследований применялись образцы с различным числом и расположением надрезов (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость суммарного счета АЭ - N от коэффициента интенсивности напряжений К^ для образцов с различным числом и расположением надрезов: 1 - кислотоупорный бетон с полимерной добавкой; 2 - тяжелый бетон с полимерной добавкой АЦФ; 3 - тяжелый бетон с комплексной добавкой, включающей бишофит

1

•> К1уМН/м*/г

0,4 0,6 0.8 1,0 1,2 1,4 1,6

Высота ненадрезанной части образцов во всех испытаниях составляла 0.5Н. В результате проведенных экспериментов получены уравнения и соответствующие им графики зависимости суммарного счета акустической эмиссии N от коэффициента интенсивности напряжений К(. Анализ полученных результатов показал, что число и расположение надрезов при сохранении одинаковой длины развивающейся трещины (величина ненадрезанной части) не оказывает существенного влияния на изменение параметров АЭ и вязкости разрушения бетонов. Кислотоупорный и тяжелый бетоны с полимерными добавками показали практически одинаковые значения параметра классификации п (показатель степени функции N - К^. Кривая зависимости N - ^ для тяжелого бетона с комплексной добавкой, включающей бишофит, имеет меньший наклон к оси «1 и, соответственно, больший показатель степени п. Это свидетельствует о том, что исследуемые бетоны с полимерными добавками являются менее хрупкими материалами, способными к более длительному сопротивлению разрушению по сравнению с обычным тяжелым бетоном. В процессе испытаний кислотоупорного бетона коэффициент интенсивности напряжений изменялся от 0.68 МН/м31'2 до 1.57 МН/м3" в тяжелом бетоне с полимерной добавкой АЦФ - от 0.42 МН/м3"2 до 1.3 МН/м3''2 и в обычном тяжелом бетоне с комплексной добавкой К1 возрастал от 0.62 МН/м3*2 до 1.12 МН/м3/2.

В бетонах с повышенным содержанием дефектов в виде пор, трещин и других несплошностей структуры при действии внешней нагрузки в наиболее опасном сечении происходит раскрытие дефекта с последующим его ростом до момента разрушения. Для выполнения контроля за ростом трещины необходимо зафиксировать начальный момент ее раскрытия и определить критическую нагрузку, при которой рост и ширина раскрытия наиболее опасного дефекта приводят к стремительному разрушению. Проведены комплексные исследования ширины раскрытия трещин бетонов, содержащих большое количество дефектов. Эксперименты предусматривали одновременое измерение

тензометрическим и акустическим методами таких параметров, как нагрузка, ширина раскрытия трещины, суммарный счет АЭ с получением полных диаграмм деформирования. В результате получены уравнения и соответствующие им совмещенные диаграммы зависимости суммарного счета АЭ от уровня нагрузки ст/атах, а также ширины раскрытия трещины б

ОТ СТ/СТтах ■

Характеристики рещиностойкости бетона во многом зависят от скорости приложения нагрузки. В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные по влиянию широкого интервала скоростей нагружения на изменение суммарного счета АЭ и параметров механики разрушения. Это было связано с трудностями технического характера. Для проведения испытаний образцов была разработана специальная установка, позволяющая производить нагружение в диапазоне скоростей от 10"7 м/с до 10'1 м/с. В качестве материалов для испытаний были выбраны: легкий бетон на органических заполнителях в виде очищенных от семян кукурузных початков, тяжелый бетон на гранитном заполнителе и тяжелый бетон с комплексной добавкой, включающей бишофит.

В результате проведенных экспериментов получены уравнения и соответствующие им гистограммы (рис. 3), показывающие связь параметров АЭ и вязкости разрушения 6 со скоростью нагружения бетонов. В легком бетоне на органических заполнителях, начиная с минимальной скорости нагружения до максимальной, происходит постепеное плавное увеличение суммарного счета АЭ с одновременным возрастанием энергии разрушения, что свидетельствует о вязком характере разрушения, т.е. сравнительно длительном процессе роста трещин. Более плотные и прочные тяжелые бетоны на гранитном заполнителе и с комплексной добавкой, включающей бишофит, при увеличении скорости нагружения от 10"7 м/с до 10"4 м/с показали незначительное увеличение вышеназванных параметров.

Рис. 3. Совмещенные гистограммы: суммарный счет АЭ Л/ - скорость нагружения образцов ст, энергия разрушения С - скорость нагружения а при испытании образцов из: 1 - легкого бетона на органических заполнителях; 2 — тяжелого бетона на гранитном заполнителе; 3 -тяжелого бетона с комплексной добавкой, включающей бишофит

При возрастании скорости нагружения до 10"2 м/с характеристики АЭ и вязкости разрушения резко возрастают ввиду стремительного роста макротрещин. Максимальная энергия разрушения, зафиксированная при а =10'2 м/с, получена тяжелым бетоном с комплексной добавкой, показатели плотности и прочности которого также максимальны.

Для прогнозирования разрушения, учитывая высокую чувствительность метода акустической эмиссии, максимально полезным является соотношение между скоростью роста трещин и скоростью счета АЭ. Для установления этой связи и получения наиболее достоверных данных медленного роста трещин были проведены экспериментальные исследования жаростойких бетонов на портландцементе, глиноземистом цементе и жидком стекле, подвергавшихся предварительному нагреву до температуры 800°С. В результате испытаний получены уравнения и соответствующие им графики (рис.4) зависимости скорости роста трещины и скорости счета АЭ от коэффициента интенсивности напряжений.

Рис. 4. Совмещенные диаграммы: скорость счета АЭ N - коэффициент интенсивности напряжений К,, скорость роста трещины V - коэффициент интенсивности напряжений Кь полученные при испытании образцов из жаростойких бетонов: 1 - на портландцементе; 2 - глиноземистом цементе; 3 - жидком стекле

Жаростойкий бетон на портландцементе характеризовался

следующими зависимостями:

N = 553.2«,10 , (4)

V = 0.04К,13'35 (5)

(К1 увеличился с 0.26 МН/м30 до 0.59 МН/м3® при скорости роста трещины

V от 910-9 м/с до 310"5 м/с);

жаростойкий бетон на глиноземистом цементе:

N = 585.7К,11 , (6) У = 0.051 К,14 8 (7) («1 возрастал с 0.34 МН/м3'2 до 0.69 МН/м3® при аналогичном изменении

скорости роста трещины);

жаростойкий бетон на жидком стекле:

N = 1904К-11'1 , (8)

V = 0.063К,1546 (9)

(К1 изменялся от 0.3 МН/'м3/2 до 0.69 МН/м3''2 при увеличении скорости роста трещины от 9-10"8 м/с до 910"4 м/с).

На основании полученных результатов исследований и аналитических расчетов количественное определение времени до разрушения (долговечности) бетонов, связывающее параметры вязкости разрушения и акустической эмиссии аналогично зависимости Эванса для керамических материалов осуществляется по формуле:

2

Г= --, (10)

А(п - 2)а2У2(М/А0)л_2"1'

где А, Ао , п, п0 - структурно- чувствительные постоянные бетона; о -приложенное напряжение; N - скорость счета АЭ; У - функция, зависящая от формы и размеров образцов, схемы испытаний.

Глава 5. Количественная оценка трещиностойкости и долговечности бетонов по параметрам докритического подрастания трещин испытуемых образцов при различной скорости их нагружения

Основываясь на кинетической теории, показывающей развитие дефектов - трещин в материале во времени, дальнейшее развитие методов механики разрушения позволяет найти не только характеристики трещиностойкоети, определяющие критические условия развития трещин при разрушении бетонов, но и медленное докритическое их развитие. И, соответственно, время, требуемое для того, чтобы бетон разрушился, когда приложена нагрузка, является временем, необходимым для трещины, чтобы вырасти от начального до конечного критического размера.

Для определения кинетики подрастания трещин в бетонах в зависимости от действия внешней механической нагрузки были разработаны методика и оборудование, исключающие прямое измерение подрастающей трещины. Это достигается при испытании образцов с

известным начальным размером дефекта (трещины) в виде надреза. При этом контроль осуществляется только за изменением нагрузки на образец.

Для количественной оценки кинетики роста трещин использовали методы механики разрушения. Согласно аналитическим расчетам и проведенным экспериментам с различными видами бетонов была получена зависимость изменения времени до разрушения (долговечности) гот уровня приложенных напряжений а:

х=ВНЫсп~2о-* , (11)

где В и п - структурно-чувствительные постоянные бетона; ЯЬ!с -критическое значение предела прочности бетона, полученное при испытании образцов в условиях отсутствия подрастания трещин (определяется при высоких скоростях нагружения); о - приложенное напряжение.

Аналогичная зависимость наблюдалась Эвансом при испытании керамических материалов.

Для определения постоянных для каждого вида и состава бетона значений В, п и Яыс проводятся испытания образцов на прочность при различной скорости их нагружения. Согласно проведенным экспериментам и аналитическим расчетам, используя методы механики разрушения, получена зависимость изменения прочности от скорости нагружения, которая имеет вид степенной функции:

Яыг ВНЫсп-26ип*' , (12)

где - предел прочности бетона, получаемый при различной скорости нагружения; а - скорость нагружения образцов.

Постоянные В, п и ЯЫс определяются из графика зависимости 1д ЯыГ 1д ст. При этом В - величина отрезка, отсекаемого на оси ординат, а показатель степени 1/п+1 - тангенс угла наклона а прямой к оси абсцисс. Параметр п является показателем трещиностойкости бетона. Чем больше значение п или меньше наклон прямой 1д - 1д а , тем позднее происходит страгивание трещины. Согласно уравнению (12) и проведенным

экспериментам при возрастании скорости нагружения прочность бетона увеличивается. Однако, следует отметить, что увеличение прочности с ростом скорости нагружения происходит до некоторой, постоянной для каждого вида и состава бетона, максимальной величины Кыс- Дальнейшее увеличение скорости нагружения не приводит к возрастанию прочности бетона, что объясняется отсутствием роста трещин. Учитывая, что величины В, п и являются постоянными для каждого вида и состава бетона, уравнение (11) для определения долговечности в логарифмической форме примет вид:

1дт = А - п1да (13)

Формула (13), аналогичная формуле С.Н. Журкова показывает, что данная методика хорошо согласуется с кинетической теорией прочности и оценки долговечности материалов. А по примененному принципиальному подходу определения структурно-чувствительных постоянных бетона при различных скоростях нагружения предлагаемая методика корреспондируется с теорией И.М. Грушко, объединяющей энергетический и кинетический подходы к определению прочности, трещиностойкости и долговечности материалов.

Таким образом, уравнения (11) и (12), полученные на основе методов механики разрушения (теории трещин) позволяют количественно оценить параметры трещиностойкости и долговечности бетонов при действии внешней нагрузки и других факторов. Для проведения испытаний по данной методике была использована разработанная автором специальная установка, позволяющая производить нагружение образцов в диапазоне скоростей от 10"7 м/с до 10"1 м/с.

Характеристики прочности, трещиностойкости и долговечности чувствительны к влиянию различных, в том числе технологических, факторов. Полученные экспериментальные данные по контролю за образованием и развитием трещин при испытании стандартных образцов с различной скоростью нагружения совпадают с определенными ранее по полным диаграммам деформирования параметрами медленного роста

трещин для цементного камня, раствора и бетона. При увеличении водоцементного отношения от 0.4 до 0 6 показатель трещиностойкости п снизился на 34%. При твердении бетона с 14 по 30 сутки параметр роста трещин увеличился на 21%, а спустя 95 суток естественного твердения, ввиду продолжающейся гидратации вяжущего при увеличении прочности на 31% показатель п повысился на 58%. Тепловлажностная и автоклавная обработки ведут к снижению прочности и трещиностойкости бетона, что связано с увеличением общей пористости на 10-15% за счет возрастания объема крупных капиллярных пор, формируемых при повышенных температурах и давлении. Бетон естественного твердения показал увеличение параметра трещиностойкости на 15% по сравнению с бетоном, подвергнутым автоклавной обработке по заводскому режиму.

Для улучшения физико-механических свойств применяемых бетонов в их состав вводят различные добавки, которые способствуют уплотнению структуры, снижению количества и размеров дефектов. Это приводит к увеличению прочности и трещиностойкости, количественное определение которых показало (табл. 2), что у кислотоупорного бетона с полимерными добавками параметр трещиностойкости п увеличился на 80%, а у обычного тяжелого бетона с добавкой АЦФ - на 46% по сравнению с бетоном без добавок. Тяжелый бетон с комплексной добавкой, включающей бишофит, при снижении общей пористости на 10% показал увеличение параметра трещиностойкости на 9% по отношению к бетону без добавки.

В результате экспериментальных исследований разработаны составы легких бетонов с улучшенными характеристиками трещиностойкости. Легкий бетон на органических заполнителях в виде очищенных от семян кукурузных початков при снижении прочности на 14% по сравнению с керамзитобетоном показал одинаковые с ним параметры трещиностойкости. Пенобетон в отличие от керамзитобетона и бетона на органических заполнителях, несмотря на меньшую прочность характеризуется увеличением параметра трещиностойкости на 44%.

Таблица2

Влияние вида и состава бетона на изменение прочности, пористости и трещиностойкости______„___

Наименование бетона В п Мпа Яь*. МПа П, %

1 2 3 4 5 6

Тяжелый бетон с заполнителем из: гранита известняка керамзита 3.94 3.4 2.23 23.4 20.2 16.8 5.39 4.7 3.05 3.39 2.93 1.8 13.4 14.2 37.0

Кислотоупорный бетон с полимерными добавками Тяжелый бетон с добавкой АЦФ 4.6 4.41 42.2 34.1 5.98 5.82 4.3 4.1 10.3 11.4

Тяжелый бетон с комплексной добавкой, включающей бишофит 3.96 25.6 5.28 3.57 12.1

Бетон с особолегким керамзитовым гравием 1.97 17.76 2.72 1.6 38.5

Пенобетон 1.32 25.8 1.6 0.9 65.0

Легкий бетон на органических заполнителях 1.75 17.4 2.38 1.4 52.0

Нагрев оказывает значительное влияние на изменени прочности, трещиностойкости и долговечности материалов. Применительно к реальным условиям эксплуатации испытаниям в нагретом состоянии были подвергнуты жаростойкие бетоны с различным видом вяжущего (табл. 3). Проведенные автором ранее (глава 4) исследования п определению параметов скорости роста трещин V, коэффициента интенсивности напряжений «1 и скорости счета акустической эмиссии показали аналогичные изменения вышеназванных характеристик с увеличением температуры нагрева. В частности, при нагреве жаростойких бетонов до температуры 800°С показатель трещиностойкости п в соотношении V -К) при испытании по полным диаграммам деформирования и параллельным акустическим испытаниям для бетона на портландцементе

составил 13.15, на глиноземистом цементе - 14.8 и для бетона на жидком стекле - 15.46. При исследовании характеристик трещиностойкости посредством определения прочности при различной скорости нагружения наблюдалось аналогичное изменение параметра п , который составил, соответственно, 10.7; 11.6 и 13.0. Некоторое уменьшение значений трещиностойкости в экспериментах с различной скоростью нагружения связано с тем, что испытания образцов проводились в нагретом состоянии, а не после охлаждения.

Таблица 3

Влияние нагрева на изменение прочности, пористости и параметров

Вид вяжущего Т, В п кыь п,

жаростойкого бетона иС МПа МПа %

1 2 3 4 5 6 7

Портландцемент 20 3.3 19 5.1 3.3 22.1

110 2.8 17.5 4.37 2.7 21.8

300 2.3 15.6 3.6 2.1 23.8

800 1.45 10.7 2.3 1.2 28.5

Глиноземистый цемент 20 3.5 17.8 5.6 3.5 23.5

110 2.8 14.6 4.42 2.6 24.9

300 2.3 13.3 3.62 2.0 25.8

800 1.9 11.6 3.1 1.6 26.9

Жидкое стекло 20 3.9 22.0 6.0 4.0 17.2

110 4.0 22.0 6.3 4.2 17.9

300 4.4 30.0 6.4 4.6 16.9

800 2.3 13.0 3.6 2.0 21.9

Фосфатное связующее 20 1.47 22.4 1.84 1.23 68.0

(отход) 110 1.42 17.2 1.85 1.15 68.05

300 1.35 18.5 1.75 1.1 68.2

800 1.33 17.2 1.74 1.08 70.1

Разработан состав огнеупорного легкого газобетона на фосфатном связующем с повышенным сопротивлением образованию и развитию трещин при действии высоких температур и внешней нагрузки. Тепловые агрегаты работают в сложных условиях, когда одновременно действует высокая температура и нагрузка, как от собственного веса, так и приложенная внешняя нагрузка. На основании полученных

экспериментальных данных был определен срок службы (долговечность) жаростойких бетонов по формуле (11). При уровне приложенного напряжения, составляющего 30% от' предела прочности, долговечность бетонов при температуре 800сС составила: 4.5 года - для жаростойкого бетона на портландцементе; 13.5 лет - для бетона на глиноземистом цементе; более 40 лет - для бетона на жидком стекле.

Полученные экспериментальные данные о процессе разрушения различных видов и составов бетонов позволяют построить диаграмму их предельного состояния (см. рис. 5).

Глава 6. Прогнозирование разрушения бетонов

В предыдущих главах изложены основные методы количественной оценки параметров роста трещин для различных видов и составов бетонов. В зависимости от вида бетона и условий его эксплуатации целесообразно использование какой-либо одной или нескольких методик

оценки возможностей материала. Наиболее информативными

параметрами бетона являются характеристики механики разрушения: коэффициент интенсивности напряжений Кт и скорость роста трещины V, а также их зависимость V - которые определяются прямыми испытаниями в условиях стабильного уровня напряжения, поддесжизающего медленный рост трещин. Чувствительность к медленному росту трещины наиболее удобно выражать временем до разрушения при действии постоянной внешней нагрузки. На основании проведенных исследований установлено, что повышенной чувствительностью к росту трещин обладают бетоны с малым значением параметра п зависимости \Z-Ki.

В структуре бетона до проведения испытаний всегда имеются различного вида дефекты, поэтому необходимо получить информацию об их размерах и количестве. С этой целью применяли акустический метод.

Выбор бетона для конкретного применения обусловлен необходимым прогнозированием его разрушения в процессе эксплуатационных нагрузок. При определении срока службы необходимо очень точно определить параметры роста трещин (п и К1с), которые непосредственно относятся к ранее существовавшим дефектам и создают наибольшую опасность разрушения. Акустический и методы механики разрушения, связанные соотношением (10), позволяют количественно оценивать развитие малых ранее существовавших и более крупных трещин в бетоне. Однако, определение характеристик трещиностойкости по этим методикам при относительно высокой точности требует значительных затрат на изготовление образцов, разработку специального оборудования (демпфирующее устройство к прессу) с применением высокочувствительной дорогостоящей аппаратуры. Более того, необходимо создать условия для устранения различного вида помех при использовании акустической аппаратуры. Такие испытания целесообразно проводить при исследовании новых материалов с неизвестными физико-

механическими свойствами, а также материалов для изготовления ответственных специальных конструкций и сооружений.

Наиболее простым и надежным способом определения характеристик трещиностойкости и долговечности бетонов является испытание образцов на прочность при различной скорости нагружения. При этом, полученные параметры трещиностойкости практически совпадают с аналогичными показателями, определяемыми методами механики разрушения. В случае несоответствия вышеуказанных характеристик, полученных по разным методикам, для дальнейших расчетов принимаются те значения, которые дают минимальный результат времени до разрушения.

В результате проведения многочисленных экспериментов были определены параметры трещиностойкости для различных видов и составов бетонов. Это послужило основой для получения корреляционной зависимости между коэффициентом динамического упрочнения Кду (отношение максимальной прочности Гч^о определяемой при высоких скоростях нагружения, к прочности [^м;, полученной при стандартной скорости нагружения) и показателем трещиностойкости п (рис. 6).

п

Рис. 6 Зависимость показателя трещиностойкости п от коэффициента динамического упрочнения Кд.у.

Анализ полученной тарирооочсй кривой показал, что чем больше изменяется прочность с возрастанием скорости нагружения, тем медленнее происходит развитие трещин в бетоне и, в конечном итоге, менее хрупкое разрушение. Чем меньше образец подвержен изменению прочности с повышением скорости нагружения, тем выше граница его микро- и макротрещинообразования и более хрупкое разрушение при действии максимальной нагрузки.

Таким обазом, при использовани корреляционной зависимости п - Клу отпадает небходимость в проведении длительных испытаний с большим количеством образцов для определения прочности при различной скорости нагружения. Достаточно определить прочность бетона при стандартной и максимальной («102 * 10'1 м/с) скоростях нагружения. По полученному отношению Кду = Нью/Км+находится параметр п , который, в дальнейшем, наряду с другими параметрами, используется при определении времени до разрушения.

На основании общего методологического подхода и тарировочной кривой л - Кд.у определены сроки службы подобранных оптимальных составов легких огнеупорных бетонов при реконстукции печей беспламенного горения на Волгоградском нефтеперерабатывающем заводе. Подобраны оптимальные составы бетонов при устройстве наливных полов в цехах с агрессивным воздействием различных солей, кислот и щелочей. Произведена количественная оценка состояния бетона в конструкции железобетонных балок после воздействия пожара с целью возможности дальнейшей эксплуатации, что дает экономию материальных затрат на восстановление и ремонт зданий и сооружений. Установлена остаточная долговечность бетона после нагрева по режиму пожара. Подобраны составы бетонов с повышенными характеристиками трещиностойкости при проектировании ж/б опор под газопровод и т.д.

Проведенные исследования трещиностойкости и долговечности различных видов и составов бетонов послужили основой для разработки

рекомендаций по испытанию, контролю и проектировнию бетонов

с заданными физико-механическими свойствами.

Основные выводы

1. Впервые проведены испытания образцов в условиях стабильного характера разрушения с одновременным использованием стандартизированной методики ГОСТ29167-91 и дополнительно разработанным тензометрическим устройством для прямого измерения скорости и ширины раскрытия трещин.

2. Установлены оптимальные размеры образцов при испытании на растяжение при изгибе в условиях стабильного характера разрушения с получением полных диаграмм деформирования. При назначении глубины инициируемой трещины ( надреза ) относительно постоянные параметры трещиностойкости получены: для цементного камня и раствора, если а = 0,25+0,511, для бетона, если а = 0,5+0,75И. При увеличении скорости нагружения отЮ~'м/с до Ю-1 м/с энергия разрушения образцов из цементного камня увеличивается на 26%, а коэффициент интенсивности напряжений - на 10%. У образцов из бетона при увеличении скорости нагружения в условиях равновесных испытаний показатель энергии разрушения возрастает на 64% и коэффициент интенсивности напряжений - на 27%.

3. Впервые предложены методика и аппаратура, позволяющие на образцах стандартных размеров одновременно получить полную, с нисходящей ветвью, диаграмму деформирования и зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений. Независимо от состава и размеров образцов полученные уравнения имели степенную зависимость. Это дало возможность после статистической обработки результатов испытаний определить показатель трещиностойкости - л, который составил: для цементного камня - 17,56, для раствора - 15,47 и для бетона - 14,5.

4. Определены закономерности трещинообразования бетонов в зависимости от вида, крупности и объемного содержания заполнителя.

Получены параметры вязкости разрушения зоны контакта: цементный камень-известняк (Сс=14,5 Н/м и К,с=0,16 МН/м"2), цементный камень-гранит (вс=22,9 МН/м и К;с=0,215 МН/м1'-'), цементный камень-кварцит (ес=23,6 Н/м и К,с =0,23 МН/м1/2).

С увеличением крупности плотного заполнителя от 5 мм до 20 мм коэффициент интенсивности напряжений возрастает на 23 %, а повышение объемного содержания заполнителя с 40% до 70% сопровождается увеличением К,с на 35%.

Получены новые экспериментальные данные по влиянию различных, в том числе, технологических факторов на изменение характеристик трещиностойкости бетонов.

5. Произведена количественная оценка параметров разрушения бетонов при одновременном использовании тензометрического и акустического методов; выявлены три стадии развития трещин; установлена связь характеристик акустической эмиссии и вязкости разрушения бетонов с различным количеством дефектов структуры.

6. Установлена связь параметров акустической эмиссии и вязкости разрушения со скоростью нагружения образцов бетонов. Стремительное возрастание параметров АЭ и энергии разрушения, связанное с критическим ростом макротрещин, происходит при скорости нагружения 10"2 м/с. Количественно определены параметры медленного роста трещин тензометрическим и акустическим методами в жаростойких бетонах с различным видом вяжущего. На основании полученных зависимостей параметров акустической эмиссии и механики разрушения определена долговечность (время до разрушения) жаростойкого бетона на портландцементе в нагретом (до температуры 800°С) состоянии.

7. Основные положения механики разрушения и кинетической теории прочности явились исходными данными для разработки метода, позволяющего количественно определить долговечность (срок службы)

различных видов бетонов по параметрам докритического подрастания трещин в испытуемых образцах при различной скорости их нагружения. Для проведения испытаний по данной методике разработаны специальное оборудование и аппаратура, позволяющие производить нагружение образцов в условиях действия нормальных и высоких температур.

8. Установлены закономерности изменения параметров роста трещин при испытании стандартных образцов с использованием методов акустической эмиссии, механики разрушения, а также по прочности при различной скорости нагружения. На основании предложенных методик разработаны составы легких и тяжелых (с добавками) бетонов с улучшенными физико-механическими характеристиками. Определено влияние различных факторов, таких как водоцементное отношение, возраст, условия твердения бетона и других на изменение параметров прочности и трещиностойкости бетонов.

9. На основе разработанного метода испытаний образцов с различной скоростью нагружения количественно определены параметры трещиностойкости жаростойких бетонов. При нагреве до 800°С жаростойкого бетона на портландцементе показатель трещиностойкости - п , определенный по испытаниям на прочность с различной скоростью нагружения, составил 10,7, для бетона на глинозёмистом цементе - 11,6 и для бетона на жидком стекле - 13,0. Полученные при испытании по полным диаграммам деформирования и параллельными акустическими испытаниями характеристики трещиностойкости для аналогичных составов бетонов и условий нагрева практически совпадают с вышеприведёнными данными. Аналитически определены сроки службы (долговечность) жаростойких бетонов при действии температуры и нагрузки.

10. Предложен общий методологический подход количественной оценки параметров трещиностойкости и долговечности различных видов и

составов бетонов, объединяющий методы механики

разрушения, кинетической теории прочности и методы акустической эмиссии.

Получена корреляционная зависимость с построением тарировочной кривой изменения параметра трещиностойкости - п от коэффициента динамического упрочнения - К^ .

11. Проведена количественная оценка состояния бетона в конструкциях различных сооружений с целью возможности дальнейшей эксплуатации, что позволило снизить материалоёмкость, энерго- и трудозатраты при сохранении надёжности и долговечности. Проведённые исследования трещиностойкости и долговечности послужили основой для разработки рекомендаций по испытанию, контролю и проектированию бетонов с заданными физико-механическими свойствами.

12. Результаты исследований используются в учебном процессе студентов специальности 290600. Опытное внедрение разработанных составов бетонов, экономическая эффективность которых определяется снижением расхода вяжущего, энергозатрат при повышении прочности и трещиностойкости, позволило улучшить экологическое состояние Волгоградского региона за счет использования отходов вторичных ресурсов на алюминиевом заводе, на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, органических отходов в пойме реки Волги и др.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Перфилов В.А. Оценка долговечности бетона для сельскохозяйственных зданий и сооружений // Тез. Всесоюзной научно - технической конференции, Челябинск,1990, - С. 158-160.

2. Шевченко В.И., Перфилов В.А. Определение долговечности жаростойкого бетона// Информ. лист / ЦНТИ, 1991, № 387-91.

3. Шевченко В.И., Перфилов В.А. Рекомендации по определению долговечности жаростойкого бетона // Депонировано во ВНИИНТПИ 1.08.91, вып. 7, № 10976, - С. 3.

4. Шевченко В.И., Перфилов В.А. Влияние нагрева на изменение долговечности жаростойкого бетона II Сб. Вопросы теплообмена в строительстве, РИСИ, Ростов, 1992,-С. 57-67.

5. Шевченко В.И., Перфилов В.А. Влияние нагрева на изменение долговечности жаростойких бетонов II Сб. Эффективные жаростойкие материалы для строительства и реконструкции тепловых агрегатов промышленности строительных материалов, УралНИИСтройпроект, Челябинск, 1992, - С. 74-83.

6. Перфилов В.А. Влияние температурного нагрева и нагрузки на изменение долговечности жаростойкого бетона II Тез. докладов на научно-технической конференции, посвященной 40-летию ВолгИСИ, Волгоград, 1992, Часть 1.

7. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Количественная оценка долговечности жаростойких бетонов при высокотемпературном нагреве // Известия ВУЗов, 1993, № 11-12, - С. 36-38.

8. Перфилов В.А. Применение ацетоноформальдегидных смол в качестве добавок к бетону // Информ. лист/ЦНТИ, 1994, № 188-94.

9. Перфилов В.А. Кислотостойкие материалы, модифицированные полимерными добавками //Инф. лист / ЦНТИ, 1994, № 201-94.

10. Перфилов В.А. Легкий бетон на органических заполнителях II Инф. Лист/ЦНТИ, 1994, № 189-94.

11. Медведько С.В., Акчурин Т.К., Перфилов В.А. Утилизация побочных продуктов производства в технологии бетонов и растворов II Тез. докл. Международной научно-технич. конференции, «Высшая школа в решении экологических проблем Нижне-Волжского региона», Волгоград. 1994, - С. 6-7.

12. Перфилов В.А. Применение методов механики разрушения для количественной оценки трещиностойкости бетонов пр действии

высоких температур // Тез. докладов ! Межвузовской научно-практической конференции «Строительство», Волгоград, ВолгИСИ, 1994,-С. 57-58.

13. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Исследование процессов неравномерности изменения объема при твердении вяжущих систем методами механики разрушения // Международ, науч.-технич. конф. «Современные проблемы строительного материаловедения, 1-е Академические чтения, Самара, СамГАСА, 1995, 4.1, - С. 68-72.

14. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Теоретические основы количественной оценки и прогнозирования трещиностойкости и долговечности бетонов II Тез. международной научно-технич. конф., Белгород, БелГТАСМ, 1995, Ч. 1, - С. 70-74.

15. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Методологический подход к количественной оценке трещиностойкости и долговечности жаростойких и обычных бетонов // Известия ВУЗов, Новосибирск, 1995, № 7-8, - С. 62-64.

16. Агеев Ю.С., Перфилов В.А., Чекунова A.A., Селезнева Н.И., Пиунов Е.М. Сырьевая смесь для изготовления керамзита / Патент РФ, № 2040499, Бюл. N 21,27.7.95.

17. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Обследование конструкции после пожара // Инф. лист / ЦНТИ, 1996, N2 36-96.

18. Перфилов В.А., Агеев Ю.С., Чекунова A.A. Особолегкий керамзитовый гравий // Инф. лист / ЦНТИ, 1996, № 14-96.

19. Перфилов В .А., Акчурин Т.К. Трещиностойкость и долговечность теплотехнических сооружений, выполненных из жаростойких бетонов // Н-е Академические чтения, Казань, КГАСА, 1996, Ч. 1, - С. 73-75.

20. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Долговечность бетонов в условиях воздействия высоких температур И Тез. к Международному симпозиуму «Экология, жизнь, здоровье», Волгоград, ВолгГАСА, 1996, Ч. 1, - С. 64-66.

21. Перфилов ЗА, Акчурин Т.К. Влияние В/Ц и степени гидратации вяжущего на изменение трещиностойкости и долговечности бетона II Тез. научно-технич. конференции ВолгГАСА, Волгоград, 1996, - С. 46-47.

22. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Методика определения долговечности бетона в конструкции после воздействия пожара II Тез. докладов межвузовской научно-технич. конф. «Современные технологии в промышленности и строительстве», Камышин, 1996, - С. 35-36.

23. Перфилов В.А., Агеев Ю.С., Жарков А.Ф., Акчурин Т.К. Теплоизоляционные бетоны II Инф. лист / ЦНТИ, 1997, № 17-97.

24. Перфилов В.А., Агеев Ю.С., Жарков А.Ф., Акчурин Т.К. Легкие огнеупорные бетоны ускоренного твердения // Инф. лист / ЦНТИ, 1997, № 18-97.

25. Агеев Ю.С., Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Составы для устройства наливных полов II Инф. лист / ЦНТИ, 1997, № 19-97.

26. Хромое A.B., Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Количественная оценка трещиностойкости и долговечности легких бетонов II 4-е Академические чтения, Пенза, ПГАСА, Ч. 2, - С. 29-30.

27. Жарков А.Ф., Агеев Ю.С., Перфилов В.А. Сырьевая смесь для производства легкого огнеупорного бетона / Патент РФ № 2102357, Бюл. N 2 от 20.01.98.

28. Стефаненко И.В., Перфилов В.А., Акчурин Т.К., Агеев Ю.С. Трещиностойкость и долговечность легкого бетона на фосфатном связующем // Материалы международной научно-технич. конф. «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, ВолгГАСА, 1998, Ч. 2, - С. 26-27.

29. Перфилов В.А., Агеев Ю.С., Жарков А.Ф., Акчурин Т.К. Быстротвердеющий легкий огнеупорный бетон И Материалы международной научно-технич. конф. «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, ВолгГАСА, 1998, Ч. 2,-С. 30-31.

30. Хромоо A.B., Акчурин Т.К., Перфилов В.А., Агеев Ю.С. Количественная оценка трещиностойкости и долговечности бетонов с использованием комплексных добавок И Материалы международной научно-технич. конф. «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, ВолгГАСА, 1998, Ч. 2, - С. 5456.

31. Хромов A.B., Акчурин Т.К., Агеев Ю.С., Перфилов В.А. Бишофит -материал улучшения свойств цементного бетона // Материалы международной научно-технич. конф. «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, ВолгГАСА, 1998, Ч. 2, - С. 67-68.

32. Перфилов В.А. Использование полимерных добавок для повышения трещиностойкости бетона // Инф. лист / ЦНТИ, 1939, № 07-99.

33. Перфилов В.А., Агеев Ю.С. Физико-механические свойства теплоизоляционных пенобетонов // Инф. лист / ЦНТИ, 1999, № 02 - 99.

34. Перфилов В.А., Агеев Ю.С. Составы безусадочных наливных полов с улучшенными характеристиками трещиностойкости И Инф. лист / ЦНТИ, 1999, №05-99.

35. Перфилов В.А. Долговечность бетона на органических заполнителях // Инф. лист / ЦНТИ, 1999, № 04 - 99.

36. Перфилов В.А., Агеев Ю.С. Использование особолегкого керамзитового гравия в легких бетонах повышенной трещиностойкости И Инф. лист / ЦНТИ, 1999, № 03 - 99.

37. Перфилов В.А., Агеев Ю.С. Прогнозирование механических свойств легкого огнеупорного бетона ускоренного твердения // Инф. лист / ЦНТИ, 1999, №06-99.

38. Перфилов В.А. Кислотостойкие материалы повышенной трещиностойкости // Инф. лист / ЦНТИ, 1999, № 01 - 99.

39. Агеев Ю.С., Перфилов В.А. Трещиностойкость асфальтобетона с коагуляционно-кристаллизационной структурой // Инф. лист / ЦНТИ, 1999, №70-99.

40. Агеев Ю.С., Перфилов В.А., Лукьяница C.B. Теплоизоляционный керамзитобетон для производства стеновых панелей с улучшенными физико-механическими характеристиками II Инф. лист / ЦНТИ, 1999, № 69 - 99.

41. Перфилов В.А., Агеев Ю.С., Акчурин Т.К. Исследование отходов производства стальных труб для получения огнеупорных бетонов повышенной прочности и трещиностойкости // Мат. Международной научно-практической конф. «Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов», Волгоград, ВолгГАСА, 1999, - С. 211-212.

42. Перфилов В .А., Агеев Ю.С., Акчурин Т.К., Стефаненко И.В. Разработка составов бетонов повышенной долговечности с использованием отходов трубного, абразивного и алюминиевого производств II Мат. Международной научно-практической конф. «Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов», Волгоград, ВолгГАСА, 1999, - С. 210-211.

43. Агеев Ю.С., Акчурин Т.К., Перфилов В.А. Применение органических отходов химической промышленности при производстве керамзита для повышения прочности бетонов // Мат. Международной научно-практической конф. «Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов», Волгоград, ВолгГАСА, 1999,-С. 208-209.

44. Агеев Ю.С., Акчурин Т.К., Перфилов В.А. Керамзит с использованием органических отходов для улучшения физико-механических свойств бетона // Мат. Международной научно-практической конф. «Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов», Волгоград, ВолгГАСА, 1999, - С. 213-214.

45. Перфилов В.А., Акчурин Т.К. Влияние размеров образцов на развитие макротрещин в цементном камне, растворе и бетоне //

Межвузовский сборник научных трудов, Магнитогорск, МГТУ, 2000, - С. 67-70.

46. Хромов A.B., Акчурин Т.К., Перфилов В.А., Агеев Ю.С. Бетонная смесь / Патент РФ № 2149850 от 22.05.2000.

47. Перфилов В.А. Акустический метод количественной оценки вязкости разрушения бетонов II Международная научно-техническая конф. «Строительство - 2000«, Ростов-на-Дону, РГСУ, 2000, - С. 111-112.

48. Перфилов В.А., Агеев Ю.С., Акчурин Т.К. Определение ширины раскрытия трещин в процессе нагружения легких бетонов II Научно-технич. конф., посвященная 70-летнему юбилею Высшего строительного образования, Волгоград, ВолгГАСА, 2000, - С. 61.

49. Перфилов В.А., Агеев Ю.С., Акчурин Т.К. Применение методов акустической эмиссии и механики разрушения для прогнозирования роста трещин в бетонах // Научно-технич. конф., посвященная 70-летнему юбилею Высшего строительного образования, Волгоград, ВолгГАСА, 2000, - С. 62.

50. Акчурин Т.К., Агеев Ю.С., Перфилов В.А., Хромов A.B. Исследования физико-механических свойств бетона с комплексной добавкой при действии отрицательных температур и солевой коррозии // Инф. лист / ЦНТИ, 2000, № 51-172-00.

51. Перфилов В.А. Количественная оценка медленного роста трещин в цементных бетонах // Международная научно-практическая конф. «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», Ростов-на-Дону, РГСУ, 2000, - С. 285-286.

52. Перфилов В.А. Трещиностойкость бетонов. Научное издание. Волгоград, ВолгГАСА, 2000, - 240с.