автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка механических характеристик тяжелых бетонов с учетом их макроструктуры с позиций механики разрушения

г Г Б ОД

1 3 шй 1335

На правах рукописи

САХИЕВ ДУЙСЕНКУЛ МИРЗАХМЕТОВПЧ

Удк. 620.191.33:624.012.4

ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ С УЧЕТОМ ИХ МАКРОСТРУКТУРЫ С ПОЗИЦИЙ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Кызьшординском институте инженеров агропромышлеин го производства и в Московском Государственном открытом университете.

Научный консультант:

академик РИА, доктор технических наук, профессор Ю.В. Зайцев Официальные оппоненты:

доктор технических наук П.Г. Лабозин

доктор технических наук, профессор В.В. Жуков

доктор физико-математических наук, профессор В.Д. Кулиев

Ведущая организация ГП "ВНИИФТРИ"

Защита состоится

иАоК^ 1996 г, в ~ часов на заседании ди сертационного Совел» Д.033.04.01 при Государственном Центральном научн( исследовательском и проектно-экспериментальном 'институте комплексных пробле строительных конструкций и сооружений им. Кучеренко по адресу: 109418, г. Москв 2-я Институтская ул., д.6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

С.А. Воробьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Бетон в настоящее время является одним из основных строительных материалов, на основе которого создаются бетонные и железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий, транспортных и энергетических сооружений, ответственных оборонных и других специальных сооружений. Однако для бетона до сих пор еще не создана законченная теория деформирования и разрушения и вместе с этим не решен ряд вопросов расчета бетонных и железобетонных конструкций. В большинстве случаев до сих пор используются эмпирические и полуэмпирические зависимости, полученные для частных случаев.

Бетон является многокомпонентным материалом, свойства которого во многом определяются его структурой. Этим во многом объясняются трудности создания теории деформирования и разрушения бетона. Уже при сравнительно невысоких напряжениях в бетоне начинается процесс разрушения структуры. С увеличением нагрузки процесс разрушения непрерывно развивается, причем, для бетона даже при кратковременном действии нагрузки не определен четкий критерий разрушения, подобный, например, пределу текучести у металлов.

Б.Г. Скрамтаевым была проведена одна из первых работ, посвященных анализу причин разрушения цементного камня и бетона. Им была выделена ведущая роль цементного камня в создании прочности бетона и подчеркнута роль пор и других неод-нородностей в структуре бетона как концентраторов напряжений, существенно снижающих прочность материалов. Далее значительную роль в создании основ теории прочности бетона сыграли работы A.A. Гвоздева, показавшего, что неоднородность бетона создает поле возмущения напряжений. Влед за A.A. Гвоздевым существенный шаг в развитии теории деформаций и прочности бетона сделал О .Я. Берг, показавший, что основную роль как в деформациях материалов при высоких нагрузках, так и в процессе их разрушения играют мельчайшие трещины. Разработанные О.Я. Бергом, а затем развитые Ю.В. Зайцевым положения теории разрушения бетона принципиально отличались от других предложений ясностью своих физических основ. Они позволили вплотную подойти к созданию математической теории хрупкого разрушения бетона, основанной на использовании современных методов механики разрушения.

Настоящая диссертация посвящена развитию такого подхода к теории прочности и деформаций бетона, применительно к случаю осевого кратковременного растяжения и сжатия бетонов различной структуры с учетом влажности.

Целью настоящей работы является оценка общих закономерностей, связывающих макроструктуру тяжелого цементного бетона с его механическими характер»!-

стиками при осевом растяжении и сжатии в условиях кратковременного и длительного нагружения.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи.

1. Разработка методики эксперимента, позволяющей получать достоверные и сопоставимые результаты при разных видах напряженного состояния, условиях нагружения и методах измерения изучаемых параметров.

2. Исследование влияния макроструктуры на механические характеристики бетона, нормируемые в действующих документах для расчета и проектирования бетонных и железобетонных конструкций, такие как пределы прочности при сжатии и растяжении, модуль упругости, коэффициент Пуассона, мера ползучести, длительная прочность; установление общих закономерностей как для значений отдельных характеристик, так и для соотношений между ними.

3. Исследование процесса мшсротрещинообразования при иагружении бетонов разной структуры и влажности и связи структурно-механических характеристик - верхней и нижней 1?аниц микротрещниообразования, определяемых при кратковременном нагружении, с характеристиками длительного нагружения.

4. Исследование влияния макроструктуры бетона на параметры механики разрушения и их связь с механическими характеристиками бетонов.

5. Проведение численного моделирования процесса разрушения бетона с учетом его структуры при сжатии и растяжении и разработка предложений по прогнозированию и оптимизации механических свойств бетона с учетом структуры.

Автор защищает:

- методический подход к решению задачи о связи механических характеристик бетона при сжатии и растяжении с параметрами его макроструктуры;

- полученные в результате эксперимента зависимости, связывающие механические характеристики цементного камня, мелкозернистого и обычного тяжелого бетона при осевом растяжении, кратковременном и длительном осевом сжатии с их макроструктурой;

- полученные зависимости между структурно-механическими и кратковременными и длительными механическими характеристиками бетона;

- полученные из эксперимента значения параметров механики разрушения и их связь с макроструктурой бетона;

-комплекс средств и методов измерения механических и структурно-механических характеристик бетона при кратковременном и длительном нагружении;

- результаты численного эксперимента по определению методами механики разрушения прочностных и деформативных характеристик цементного камня, мелкозернистого я обычного тяжелого бетона при осевом растяжении и сжатии.

Научная новизна работы состоит в созданин комплексного экспериментально-теоретического подхода к решению задачи о связи механических, структурно-механических характеристик и параметров механики разрушения с макроструктурой тяжелых бетонов, отличающихся своими составами. Комплексный подход состоял в параллельном использовании разнообразных современных средств и методов экспериментального исследования, современного математического аппарата и средств вычислительной техники для исследования широкого спектра механических кратковременных и длительных характеристик специально подобранной гаммы макроструктур мелкозернистого и обычных тяжелых бетонов.

Такой подход позволит получить достоверные взаимопроверяемые результаты и провести их детальный анализ, построить и подтвердить работоспособность математической модели бетона, позволяющей расчетным путем находить его деформативные и прочностные характеристики.

Практическое значение работы. Разработаны методики определения механических и структурно-механических характеристик бетона и параметров механики разрушения, вошедшие в нормативные документы разных рангов.

Разработана методика расчета прочностных и деформативных характеристик бетона в зависимости от структуры и свойств его компонентов с использованием методов механики разрушения.

Найдены зависимости между механическими характеристиками бетона и параметрами его структуры при кратковременном и длительном загружении. позволяющие проектировать бетоны с заданными свойствами.

Реализация работы. Результаты работы включены в следующие документы:

- Методика МП 11-87 "Прочностные и деформационные характеристики бетонов при одноосном кратковременном статическом сжатии и растяжении" (издательство "Стандарт", 1988 г.);

- "Стандартная методика определения прочности и границ мнкротрещинообра-зования в бетоне методом структурно-имитационного моделирования1' (ВНИИФТРИ, 1988 г.);

- "Методические указания по определению акустическими и тензометрическими методами деформативных и структурных характеристик при одноосном кратковременном сжатии" (ЦНИИС. 1988 г.).

Результаты исследований практически реализованы при проектировании железобетонных зданий и сооружений, эксплуатируемых на юге Казахстана, в частности при разработке проектной документации 5-ти этажного жилого дома и диагностического центра в г. Кызылорде,

Результаты работы использованы при написании учебного пособия "Железобетонные конструкции", а также при чтении лекций и подготовке методических указаний по спецкурсу "Строительные конструкции" для аспирантов, дипломантов и студентов строительных специальностей.

Основные результаты диссертационной работы в составе экспоната "Математическая модель процесса деформирования и разрушения бетона" были представлены на ВДНХ СССР в 1987 г. и удостоены бронзовой медали.

Апробации работы и публикации. Основные материалы диссертации докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: МГОУ (б. ВЗПИ), КИИАП, КазХТИ, МИСИ, НИИЖБ, ВНИИФТРИ, ЦНИИС (1983-1995 гг.) на Всесоюзном координационном совещании и Республиканской научно-технической конференции "Влияние климатических условий и режимов нагружения на прочность конструкционных бетонов и элементов железобетонных конструкций" (Тбилиси, 1985); на Республиканской конференции "Архитектура и строительство -поиски решения (Алма-Ата, 1989); на Всесоюзной конференции "Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении" (Белгород, 1989); на конференции "Повышение эффективности сельского хозяйства на основе применения местных строительных материалов" (Севастополь, 1987); на Международной конференции "Повышение долговечности и эффективности работы конструкций зданий и сооружений" (Челябинск, 1992), на Международной конференции "Актуальные проблемы науки, технологии и производства" (Чимкент, 1993), на Международной конференции "Основные направления развития науки в бетоноведении" (Москва, 1995).

Основное содержание работы опубликовано в более, чем 40 научных статьях и 10 учебно-методических изданий.

Работа выполнена автором в период 1980-1995 гг. на кафедре "Строительные конструкции" в Кызылординском институте инженеров агропромышленного производства (КИИАП) и во время стажировки на должности старшего научного сотрудника в Московском государственном открытом университете (МГОУ) на кафедре "Строительные конструкции", руководимой академиком РИА доктором технических наук профессором Ю.В. Зайцевым.

Начальные этапы работы выполнялись в соответствии с тематическим планом на 1981-1985 гг. постоянной комиссии по строительству СЭВ по теме 5.7 "Физико-механические характеристики бетонов" и Координационным планом исследований НКС Госстроя СССР на 1986-1990 гт. по проблемам ползучести и усадки бетона и прикладным задачам теории железобетона, связанным с длительными процессами. Последующие этапы работы выполнялись в соответствии с Координационным планом Научного совета АН СССР по строительной технике и теории конструктивных форм по проблеме "Развитие теории расчета бетонных и армированных элементов с использованием методов механики разрушения применительно к прогнозированию показателей надежности и долговечности конструкций", а так же комплексной республиканской научно-технической программой Южно-Казахстанского отделения Национальной Академии наук Республики Казахстан на 1991-1995 гг.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов и содержит 212 страниц машинописного текста, 86 рисунков, библиографию из 199 наименований, приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ состояния вопроса показывает, что структура бетона оказывает существенное влияние на его механические характеристики, характер трешинообразования и разрушения, обеспечивающие несущую способность и долговечность конструкций. Влияние структуры на свойства и поведение бетона под нагрузкой при кратковременном и длительном нагружении исследовали: C.B. Александровский, И.Н. Ахвердов, Н.Х. Арутюнян, О-Я. Берг, В.В. Болотин, В.М. Бондаренко, П.И. Васильев.

A.A. Гвоздев, Г.А. Гениев, С.С. Гордон, Г.И. Горчаков, И.М. Грушко, Ю.В. Зайцев, М.М. Застава, Н.И. Карпенко, P.O. Красновский, П.Г. Лабозин, Р. Лермит, Р.Л. Маилян, Л.А. Малинина, А.И. Марков, А.Ф. Милованов, Г. Рюш, И.А. Рыбьев. Р.Л. Серых, В.А. Пахомов, А.Б. Пирадов, И.Е. Прокопович, И.И. Темнов, Н.Г. Хубова, З.Н. Цшюсанн, С. Чандра, Е.А. Чистяков, С. Ша. А.Е. Шейкин, Г.Н. Шоршнев, E.H. Щербаков, A.B. Яшин и др.

Исследование в области механики разрушения бетона и конструкций из них изложены в работах: A.A. Ашрабова, Ю.М. Баженова, 3. Базанта, Ф. Витгмана, Е.А. Гузеева, В.В. Жукова, Ю.В. Зайцева, С. Кеслера, М. Каплана, P.O. Красновского, Д. Кнотта, В.Д. Кулиева, А.П. Пака, В.В. Панасюка, В.З. Партона, E.H. Пересыпкина. П. Петерсона, К.А. Пирадова. Л.П. Трапезникова, А. Хиллеборга, Г.П. Черепанова.

B.М. Чубрикова, В.И. Шевченко, E.H. Щербакова. В.И. Ягуста, С.Я. Яремы и др.

Основной объем проведенных исследований относится к изучению поведения бетона при кратковременном статическом сжатии. Для других видов напряженного состояния, и особенно в условиях длительного нагружения, работ существенно меньше. Только в последние годы появились экспериментальные работы по определению параметров механики разрушения. Кроме того, основная масса работ выполнена для узкой области конкретных условий эксперимента: при одной виде напряженного состояния, при варьировании ограниченного числа влияющих факторов или узком диапазоне их изменения. Это затрудняет проведение сравнительного анализа из-за несопоставимости исходных условий.

В соответствии с поставленными задачами исследование проводилось на материалах с одно-, двух и трехкомпонентной структурой.

В качестве однокомпонентной структуры во всех исследованиях был принят цементный камень (ЦК).

В качестве двухкомпонентной структуры во всех исследованиях был принят мелкозернистый бетон (МЗБ), в котором в качестве матрицы рассматривался цементный камень, а заполнителя - песок. Кроме того в исследованиях при кратковременном растяжении и сжатии в качестве двухкомпонентной структуры был принят модельный материал - цементно-щебеночный бетон (матрица - цементный камень, заполнитель • щебень). Такого типа композиции были выбраны для того, чтобы иметь возможность провести сравнение экспериментальных данных с результатами математического моделирования, которое проводится для двухкомпонентных структур.

В качестве трехкомпонентной структуры во всех исследованиях рассматривали обычный тяжелый бетон (ОТБ), компонентами которого служили цементный камень, песок и щебень. При этом соотношение его компонентов выбиралось так, чтобы матрица из цементно-песчаного раствора соответствовала одному из исследуемых составов мелкозернистого бетона.

Одновременно в трехкомпонентном материале рассматривались более низкие уровни структуры за счет варьирования соотношений между мелким и крупным заполнителями, а также между матрицей цементно-песчаного раствора и крупным заполнителем.

Составы исследуемых композиций назначали с учетом водопотребности заполнителей и нормальной густоты цементного теста, что обеспечивало, по возможности, одинаковые свойства цементного камня во всех исследуемых материалах.

Чтобы более четко проследить влияние структуры, соотношение компонентов в ряде составов было принято выходящим за рамки практически применяемых производственных рецептур. Такие составы следует рассматривать как модельные.

Принятые в исследованиях соотношения основных компонентов приведены в табл. 1.

Таблица I

Структурный состав исследуемых материалов

Вид ис- Код Ин- Относительный объем

следуе- иссле- декс

мого ма- дова- сос- цемента песка щебня цементного песка в

териала нии тава Фс <Рг. Ф» камня ф^ матрице фГ1т

Цементный I 1 0.55 — — 1 —

камень (ЦК) 2 Н 0.57 — — 1 —

Мелкозер- 1 2 0.4 0.23 — 0.77 0.23

нистый 2 А 0.4 0.23 — 0.77 0.23

бетон 1 3 0.31 0.37 — 0.63 0.37

(МЗБ) 2 В 0.3 0.36 — 0.64 0.36

1 4 0.26 0.455 — 0.545 0.455

1 5 0.22 0.51 — 0.49 0.51

2 С 0.21 0.5 — 0.5 0.5

1 6 0.17 0.59 — 0.41 0.59

1 7 0.14 0.64 — 0.36 0.64

2 Б 0.13 0.61 — 0.39 0.61

1 8 0.11 0.67 — 0.33 0.67

Цементно- 1 9 0.41 — 0.24 0.76 —

шебеноч- I 10 0.33 — 0.295 0.605 —

нын бетон 1 11 0.29 — 0.495 0.505 —

(ЩБ) 1 12 0.24 — 0.57 0.43 —

Обычный 1 13 0.324 0.189 0.192 0.619 0.234

тяжелый 2 А1 0.33 0.194 0.19 0.616 0.218

бетон 2 А2 0.267 0.156 0.343 0.501 0.237

(ОТБ) 1 14 0.234 0.136 0.415 0.449 0.233

2 АЗ 0.21 0.123 0.481 0.396 0.237

1 15 0.174 0.408 0.206 0.386 0.512

2 С1 0.144 0.338 0.336 0.326 0.509

1 16 0.122 0.284 0.432 0.284 0.501

2 С2 0.124 0.291 0.427 0.283 0.508

2 СЗ 0.107 0.25 0.497 0.253 0.487

Размеры и форма образцов были выбраны на основе анализа литературных данных и собственных исследований такими, чтобы обеспечить однородность структуры при их изготовлении и требуемое напряженное состояние при испытаниях.

Сведения о форме и размерах испытанных образцов даны в табл. 2.

Форма и размеры образцов

Исследуемый материал Состав эксперимента Код исследований Образцы

Форма Размер, мм

d(a) h

Цементный камень и мелкозернистый бетон Кратковременное растяжение 1 Цилиндры 40 160

2 — — —

Кратковременное сжатие 1 Цилиндры 40 160

2 Призмы 40 160

Определение К^идр. характеристик меха-шширазрушения 1 Призмы 40 160

2 Призмы 70 280

Обычный тяжелый и цементно-щебеночный бетон Кратковременное растяжение I Цилиндры 70 280

2 — — —

Кратковременное сжатие 1 •2 Призмы Призмы 70 70 280 235

Длительное сжатие 1 — — —

2 Призмы 70 235

Определение К1о и др. характеристик механики разрушения 1 Призмы 70 280

2 Призмы 70 280

В исследованиях по определению характеристик механики разрушения с помощью алмазного диска толщиной 2 мм в середине образца были сделаны искусственные надрезы. Отношение X длины искусственных надрезов I, к высоте h образцов имело следующие значения: 0, 0.125, 0.25, 0.375, 0.5.

Из запланированных составов были выбраны как основные составы 1:0:0, 1:1:0, 1:2:0, 1:0,5:1, 1:2:3. Изготовленные из них образцы имели все намеченные значения X. В образцах из остальных составов X имело значения только 0, 0.25, 0.5.

В части кратковременных и длительных испытаний, помимо вариаций структуры за счет изменения соотношения компонентов, исследовали также влияние влажности материала на трех уровнях: воздушно-сухой, высушенный до постоянной массы, насыщенно-влажный материал.

Методика испытаний, в основном, принималась соответствующей указаниям ГОСТ 10180, ГОСТ 24452 и рекомендациям МИ 11-87. Необходимо отметить: что многие положения этих документов были приняты с учетом и на основе работ: проведенных автором.

Нагружение образцов в большей части экспериментов осуществлялось ступенями с дискретной фиксацией измеряемых величин.

В ряде испытаний кратковременное нагружение проводили по кинематической схеме со снятием диаграммы деформировання с нисходящей ветвью, так как только такая методика позволяет достаточно надежно зафиксировать деформации, соответствующие пределу прочности. В этих опытах использовалась схема нагружения с передачей части нагрузки на установленные параллельно с образцом упругие элементы с подобранной жесткостью. Жесткость применявшихся упругих элементов позволяла при передаче на них усилия 100 тс обеспечивать абсолютную деформацию образца при сжатии до 1%, а при изгибе - до 10 % и более.

Деформации измеряли тензометрическим методом с помощью наклеиваемых на образец тензорезисторов или устанавливаемых на него электромеханических тензометров с упругими элементами рамного типа.

Для более надежного определения границ микротрещинообразования была разработана методика их оценки на основании результатов измерения комплексом методов, включая тензометрический, ультразвуковой и акустоэмиссионный.

Для определения характеристик механики разрушения был разработан и использован комплекс средств, позволивших надежно с заданной степенью достоверности измерять исследуемые характеристики, включавший приборы для измерения нагрузок, прогибов и раскрытия трещин, нагружающие и градуировочные устройства и приспособления. Обработка результатов измерения проводилась на ЭВМ по специально разработанным программам.

На рис. 1 приведен план эксперимента исследования влияния структуры материала на его механические характеристики.

Влияние объема крупного заполнителя прослеживалось путем сравнения результатов испытаний серий с одинаковой матрицей, характеризующейся постоянным объемным содержанием песка в цементио-песчаном растворе = const). В проведенных эпытах постоянные для разных составов значения <рЛя1 варьировались на трех уровнях « были, примерно, равны: 0, 23 и 51 %. Влияние объема мелкого заполнителя можно 1роследить, сравнивая результаты испытаний серий с одинаковым объемным содержащем в материале крупного заполнителя = const). В проведенных опытах уров-фс, были приняты, в среднем, равными 0, 21, 41 %. Влияние вида заполнителя мож-ш проследить, сравнивая результаты испытаний мелкозернистого и цементно-цебеночного бетона с равными объемами матрицы цементного камня (соответственно, фи <Рс,= ° и 4>г.=°)-

Значения основных характеристик, полученных при кратковременном нагруже нии, приведены в табл. 3.

Таблица

Ин- Прочность, Модуль упру- Коэффи- Продольная де- Границы микротре-

декс МПа гости, ГПа циент формация, е-105 щинообразования

серии иь Яы Еь Б», Пуссона сжатие растяж. кь.«

1 59.6 1.84 27.5 19.4 0.14 286 10.2 0.40 0.96

2 40.1 3.78 29.2 25.4 0.20 203 13.5 0.75 0.99

3 39.6 3.92 33.0 27.5 0.19 172 14.2 0.64 0.86

4 41.7 4.33 34.0 35.4 0.10 228 11.0 0.55 0.91

5 40.8 3.71 30.0 32.5 0.11 224 11.4 0.70 0.99

6 26.5 3.48 32.0 30.8 0.17 134 10.4 0.70 0.95

7 24.2 3.02 27.0 28.8 0.10 162 11.7 0.60 —

8 19.3 3.05 27.0 28.9 0.14 98 10.6 0.55 0.96

9 62.0 2.55 34.5 24.0 0.18 216 9.3 0.35 0.85

10 56.5 2.80 41.5 29.8 0.18 177 13.3 0.30 0.74

11 57.2 2.63 42.5 26.5 0.15 177 11.8 0.42 0.78

12 49.2 2.40 41.5 23.1 0.15 172 11.0 0.25 0.62

13 61.7 3.30 42.0 24.5 0.23 205 14.0 0.30 0.86

14 50.0 3.60 48.5 33.5 0.18 133 10.0 0.48 0.81

15 38.8 3.00 40.0 32.4 0.15 122 9.0 0.21 0.71

16 35.7 2.80 44.5 44.4 0.13 114 9.5 0.35 0.80

Общий характер разрушения образцов как при растяжении, так и при сжатии ш зависел от макроструктуры бетона, но зависел от вида напряженного состояния. Раз рушение при растяжении происходит с образованием одной поверхности разрушения

нормальной к внешнему растягивающему усилию, а при сжатии - по поверхностям, приблизительно параллельным направлению сжимающих усилии с образованием, как правило, помимо основных трещин, большого числа меньших, параллельных поверхности разрушения либо наклоненных к ней под небольшим углом.

Общий характер диаграмм деформирования при сжатии и растяжении идентично определялся макроструктурой бетона, что проявлялось в степени их нелинейности, а также размере нисходящего участка. При этом нелинейность в случае растяжения была выражена слабее.

Численные значения характеристик диаграмм двухкомпонентных бетонов зависели от вида заполнителя. Замена песка щебнем приводила к увеличению степени нелинейности диаграммы и снижению предела пропорциональности.

Нелинейность диаграммы деформирования трехкомпонентных бетонов относительно велика при очень малом и очень большом суммарном объемном содержании заполнителя.

Результаты проведенных исследований позволили выявить влияние структуры на значения основных механических и структурно-механических характеристик исследуемых материалов при кратковременном нагруженни и установить основные закономерности между механическими характеристиками при одноосном кратковременном сжатии и растяжении.

Прочность цементного камня при сжатии выше, а при растяжении - ниже, чем прочность мелкозернистого бетона. Введение крупного заполнителя в большей степени влияет на снижение прочности при растяжении, чем на ее повышение при сжатии.

Введение в матрицу чистого цементного камня мелкого заполнителя в начале существенно повышает прочность мелкозернистого бетона на растяжение, однако этот эффект снижается по мере увеличения объема крупного заполнителя.

При сжатии крупный заполнитель более или менее существенно влияет на прочность только при переходе от однокомпонентной структуры цементного камня к двух-компонентной (цементно-щебеночный бетон). В случае трехкомпонентной структуры значение прочности зависит в большей степени от состава \«атрицы. понижаясь с увеличением в ней объема песка.

В целом бетоны двухкомпонентной и трехкомпонентной структуры имеют идентичный характер изменения прочности при изменении общего объема заполнителей с максимумом при 40-50 %.

Цементные бетоны, за исключением чистого цементного камня, могут быть отнесены к разномодульным материалам, у которых отношение модулей упругости при

растяжении и сжатии ЕЬ1/ЕЬ может принимать значения в диапазоне от 0.6 до 1. Этот результат ставит вопрос о необходимости пересмотра СНиП в части регламентации модулей упругости бетона.

Модуль упругости деухкомпонентных бетонов, как и предел их прочности, зависит от объемного содержания заполнителя, достигая максимума при 40-50 %, а трехкомпонентных монотонно растет с увеличением суммарного объема заполнителя, однако также имеет максимум. До точки максимума значения модуля упругости бетона как в случае сжатия, так и растяжения могут быть вычислены исходя из значений модулей упругости компонентов его макроструктуры и их объемного содержания.

Деформации е1(1, соответствующие пределу прочности при сжатии, в трех-компонентном бетоне, в основном, зависят от содержания крупного заполнителя, снижаясь с его увеличением. Однако это снижение носит затухающий характер с минимумом, соответствующим объемному содержанию крупного заполнителя в интервале 40-50 %, после чего деформации снова увеличиваются. В деухкомпонентных структурах зависимость значений этих деформаций от объемного содержания заполнителей и при сжатии, и при растяжении практически не прослеживается, однако замена песка на щебень приводит к увеличению деформаций примерно в 1.5 раза.

При растяжении максимальные деформации в зоне разрушения образца, как правило, в несколько раз превышают средние и зависят от вида заполнителя.

Значения коэффициента Пуассона (при имеющейся точности измерения деформаций) практически не зависят от макроструктуры бетона и находятся в случае сжатия диапазоне от 0.10 до 0.23, а при растяжении имеющиеся средства измерения деформаций Бообще не позволяют проводить его определение.

Известные средства и методы позволяют проводить определение границ микро-трещинообразования при физическом эксперименте только в случае сжатия.

Относительные значения нижней и верхней границ микротрещинообразова-ння трехкомпонентных, а также двухкомпонентных цементно-щебеночных бетонов мало зависят от их макроструктуры и, соответственно, в среднем и составляют 0.33 и 0.77.

В мелкозернистом бетоне значение верхней границы микротрещинообразова-ния практически совпадает с пределом прочности.

В мелкозернистых бетонах абсолютное значение нижней границы микротрещи-нообразования снижается по мере увеличения объемного содержания песка, в то время как ее относительное значение остается постоянным и в среднем в 2 раза превышает аналогичную величину трехкомпонентных к двухкомпонентных цементно-щебеночных бетонов.

Высушиваиие образцов до постоянной массы приводят к изменению механических свойств бетонов, причем эти изменения зависят от его макроструктуры.

Снижение прочности при высушивании существенно отличалось для разных типов структур. Так для цементного камня снижении прочности составляло 8 %, для мелкозернистого бетона с увеличением объема заполнителя - от 10 до 48 %, а для обычного тяжелого бетона - в среднем, на 5% для составов с матрицей А и на 20 % - с матрицей С.

Снижение модуля упругости составило для цементного камня составило 38 %, для бетонов с крупным заполнителем, в среднем - 40 %, а для мелкозернистых бетонов -4-18%.

Значение коэффициента Пуассона практически не зависело от влажности материала и находился в пределах от 0.19 до 0.22.

Относительные значения границ микротрещинообразования также мало зависят от влажности бетона.

В образцах, высушенных до постоянной массы деформации быстронатекающей ползучести на 20 % меньше, чем у образцов естественной влажности, что может существенно сказаться на перераспределении усилий в конструкциях в процессе их эксплуатации.

По характеру влияния изменения макроструктуры на механические свойства бетона при осевом сжатии и растяжении весь спектр рассмотренных макроструктур можно разделить на три основные группы: цементный камень, мелкозернистые бетоны и бетоны с крупным заполнителем, независимо от наличия или отсутствия в их матрице мелкого заполнителя

Чтобы оценить возможность использования аппарата механики разрушения для прогнозирования основных характеристик цементных композитных материалов, было проведено численное моделирование процесса разрушения таких структур при осевом кратковременном сжатии и растяжении.

Для проведения расчетов при сжатии были приняты исходные данные, приведенные в табл. 4.

Как видно из таблицы, модели 1-4 отличались друг от друга только значением критического коэффициента интенсивности напряжений заполнителя К*с. Тем самым сделана попытка на математических моделях исследовать влияние прочностных свойств заполнителя на процесс деформирования и разрушения бетона.

Для моделирования деформаций был рассмотрен плоский элемент материала со стороной единичной длины, содержащий одну трещину. Предполагая, что средняя ширина раскрытия трещины 2у и средняя величина взаимного сдвига берегов трещины 2\'

нам известны, для случая плоской деформации рассматривались два типа трещин -трещины сдвига и трещины отрыва. При этом идеализированная модель трещины отрыва такова, что среднее значение сдвига для нее равно нулю, т.е. 2У=0, а тогда как для трещины сдвига - 2у=0, а 2У*0.

Таблица 4

Исходные данные для численного моделирования при сжатии

Характеристика Обозначение Ед. изм. №№ моделей

1 2 3 4 5

Начальный модуль упругости матрицы Ем ГПа 27 27 27 27 30

Объемное содержание крупного заполнителя фса % 40 . 40 40 40 42

Размер модели ЬхН см 7x28 7x28 7x28 7x28 7x21

Количество начальных трещин N шт. 200 200 200 200 100

Критический коэффициент интенсивности напряжений матрицы КГс МПа-м1/г 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4

То же для контактной зоны МПа-м"2 0.15 0.15 0.15 0.15 0.2

То же для заполнителя МПа-м"2 0.33 0.45 0.57 0.81 1.4

За призменную прочность Яь принималась нагрузка образования магистральной трещины, т.е. трещины, разделяющей модель на две части.

В табл. 5 приведены результаты моделирования при сжатии.

Из данных табл. 5 можно сделать вывод о том, что они в целом совпадают с результатами физического эксперимента. Значения изменяются в пределах от 0.3 до 0.35Кь, что несколько ниже наблюдаемого в реальном эксперименте, где примерно равно 0.4 Кь. В то же время, это свидетельствует о том, что в результате моделирования границы К°с получаются с некоторым запасом.

Ociioniii.ie результаты моделирования при сжатии

№ Модуль Прпч- 1 ранним микр(ирсщш| Деформации хН) 5

реа- упру- мсниая

лн- гости проч- нижняя верхняя продольные поперечные

за- ность

1ши Е„. R" к. 1С Е2

МПа МПа

I 28.1 39.7 12.6 0.J2 23 0.58 236 141 95 198

2 32.4 38.0 12.6 0.33 24.7 0.63 195 117 78 166

3 37.7 42.7 12.6 0.30 27 0.64 218 116 02 179

4 45.0 39.8 — — — — 187 88 99 165

5 47.0 34.8 12.2 0.35 30.0 0.86 115 66 49 78

Значения в математическом эксисрнмсше находя кя в преде-

лах (0.58-0.86) что хорошо согласуется с данными физического эксперимента. Диапазоны значений продольных и поперечных деформаций, соответствующих моменту разрушения, также лежат близко к результатам физического эксперимента.

На рис. 2 приведены последовательные этапы развития трещин для одной из реализаций модели № I.

При более детальном рассмотрении этих результатов можно сделать вывод о том, что при увеличении прочности заполнителя суммарная длина трещин уменьшается (табл. 6).

Таблица 6

Суммарная длина трещин в моделях и сантиметрах

Модель Внешняя па!рузка, МПа

10 30 40

Модель № I 5.5 178 281

Модель № 2 5.5 155 228

N 1одсль № 3 5.5 143.5 216

а)

Рис. 2 Последовательные этапы развития трещин для модели № 1

а) при а = 12.8 МПа; 6) при а =19.1 МПа; в) при а =39.7 МПа.

Если сравнить сам характер трещинообразования, то обращает на себя внимание то, что с повышением прочности заполнителя увеличивается число наклонных участков, тем самым увеличивается общая площадь поверхности разрушения, что приводит к дополнительному повышению прочности бетона. Магистральная трещина при этом сильнее отклоняется от вертикали.

На рис. 3 приводятся диаграммы а-е, построенные по результатам математического моделирования для 1, 2, 3 и 4 моделей. Их общий вид подобен экспериментальным кривым а -е.

При растяжении моделировался процесс развития трещин в прямоугольной пластине 7x14 см с включениями, форма включений была принята в виде неправильных n-угольников со случайным положением вершин, вписанных в окружности диаметром D=0.5-2 см, что соответствует крупности заполнителя 5-20 мм.

Среднее число включений N, приходящееся на единицу площади сечения материала, принято, исходя из относительного объема крупного заполнителя в бетоне.

Взаимное расположение вершин многоугольника определялось путем задания угла, характеризующего положение какой-либо вершины на описанной окружности как случайной величины, равномерно распределенной в интервале 0...2я.

о МПа 40 у

30 И

\ЛЛЧ-4 2 что 1 Лл\\ > / 1

10 Ш/

е,10'! ! е, 10

200 100 О 100 200 300

Рис. 3 Диаграммы деформирования, полученные на моделях № 1-4

Алгоритм предусматривал задание цикла по внешней нагрузке от 0.1 до 20 МПа с шагом 0.1 МПа. Внутри этого цикла действует цикл увеличения длины трещин с шагом 0.01 мм, т.е. на каждом шаге координаты трещины получали приращение 0.01 мм до тех пор, пока предельная нагрузка, вычисленная для каждой из трещин, не будет больше внешней нагрузки. На этом цикл приращения длины трешины для данной внешней нагрузки заканчивается.

Данные, принятые для проведения расчетов приведены в табл. 7, а основные результаты моделирования - в табл. 8.

Таблица 7

Исходные данные для расчета при растяжении

Характеристика Обозначение Единица измерения Номер варианта модели

1 И Ш IV

Начальный модуль упругости матрицы Ем ГПа 27 27 27 27

Объемное содержание заполнителя <Р» 0.305-0.392 0.218 0.381 0.464

Результаты численного моделирования при растяжении

Вари- Реа- Число Число о™. Мо- Напряжение, Мпа, при росте

ант л11- вклю- нача- объем дуль 1-й 5% магистральных трещин

струк- за- чений льных запол- упру- тре- тре- 1-ой, 2-ой 3-ей

туры ция тре- ните- гости щины, щин

щин лей, ср^ Еь, Кщ

1 30 45 0.305 40.99 0.6 1.3 3.2 4.2 4.3

2 30 45 0.392 45.00 1.0 1.1 2.0 2.1 —

I 3 30 45 0.381 44.50 1.2 1.4 2.1 2.6 —

4 30 45 0.387 44.80 0.5 0.7 3.5 3.7 —

среднее 30 45 0.336 43.80 0.825 1.12 2.7 3.5 —

II 5 30 30 0.218 37.00 0.9 1.1 1.2 1.6 2.0

III 6 40 60 0.381 44.48 0.7 1.1 2.6 — —

1У 7 50 75 0.464 48.32 1.4 3.0 3.1 5.7 5.7

На рис. 4 приведены последовательные этапы развития трещин для одной из реализаций модели № 2.

а)

б)

Рис. 4 Последовательные этапы развития трещин в модели № 2 (реализация № 2) Разрушающая нагрузка для исходных образцов соответствует пределу прочности образца на растяжение , т.е. тем напряжениям, при которых образуется первая магистральная трещина, разделяющая образец на две части. Напряжения, соответствующие образованию второй магистральной трещины, вычислялись в предположении, что

внешние напряжения приложены как к местам разрыва по первой магистральной трещине, так и к торцам модели. Такая схема соответствовала вторичному испытанию одного и того же образца на растяжение.

Для некоторых моделей по аналогичной методике вычислялась нагрузка, соответствующая образованию третьей магистральной трещины.

Анализ и сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования процесса разрушения бетона на ЭВМ показывает следующее.

В результате физического эксперимента было отмечено, что при увеличении объемного содержания заполнителя (песка или щебня в двухкомпонентном бетоне или суммарного объема заполнителя в трехкомпонентном бетоне) прочность бетона на растяжение вначале возрастает, а затеи начинает снижаться. Моделирование на ЭВМ дает аналогичный результат. Так в модели № 1 были получены качественно, а модель № 2 -и количественно достаточно близкие к эксперименту результаты. Например, в модели №2 постепенное увеличение объема заполнителя (20, 30, 40 %) дает вначале повышение, а затем некоторое снижение прочности на растяжение (1.2 МПа, 2.725 и 2.6 МПа).

Максимум прочности по результатам физического эксперимента для двухкомпо-нентного песчаного и трехкомпонентного бетона соответствует объему заполнителя в диапазоне 40-50%, а для двухкомпонентного цементно-щебеночного - в диапазоне 30-40%. Моделирование же показало, что бетон имеет наибольшую прочность, соответствующую объему заполнителя 30%, что можно считать хорошим совпадением с результатами физического эксперимента.

Если объемное содержание заполнителя, соответствующее для каждого рассмотренного случая наибольшей прочности бетона, принять за оптимальное содержание, то можно вычислить величину снижения прочности бетона при отклонении содержания заполнителя от оптимального, например, на 10 %. Обозначив эту величину АЯ.10 для случая уменьшения объема заполнителя и Л1?.ш - для случая увеличения, в случае физического эксперимента приближенно имеем - для трехкомпонентного бетона Д11_10 = =0-2 МПа, для щебеночного бетона- Д11_|0 = ДЛ.ц,, = 0.1 МПа; а для моделируемого на ЭВМ бетона - АН.,, = 1.5 МПа, ДК.+,0 = 0.1 МПа.

Таким образом, по параметру ЛК_10 получено качественное совпадение, а по всем остальным - как качественное, так и количественной. Соответствующие результаты сведены в табл. 9

Сопоставление результатов физического и численного эксперимента по прочностным показателям бетонов при растяжении

Показатель Оптимальный относительный объем заполнителя в бетоне, <Р„ > % Прочность при растяжении, соответствующая оптималь ному объему заполнителя, Кь,,МПа Снижение прочности бетона при отклонении относительного объема заполнителя на 10 % от оптимального в сторону

уменьшения ДИ.,,, МПа увеличения ДР..,,,,, МПа

Реальный эксперимент 40-55 2.8-4.1 0.1-0.2 от 3 до 5 % 0.1-0.2 от 3 до 5 %

Численный эксперимент 40-50 2.0-3.5 1.5 более 50 % 0.1 около 4 %

Характер получаемого соответствия качественное и количественное качественное и количественное только качественное качественное и количественное

Представляет также интерес сравнение физического и численного эксперимента по такому показателю, как превышение напряжений, соответствующих образованию второй и третьей магистральных трещин (табл. 8), над напряжениями, соответствующими образованию первой магистральной трещины, которые характеризуют разрушение по самому слабому сечению образца. Этот показатель дает оценку распределения прочности по длине образца.

Б реальном эксперименте было получено, что 11ы=2.1 МПа, Кьи=3.5 МПа, т.е. превышение величины К.ьи над величиной И.ы в наиболее слабом сечении (после первого загружения) составило 66.7 %. Последующие превышения (после третьего и четвертого загружений) оказались значительно меньше и составили, соответственно, 26.9 % и 3.0 %. При численном эксперименте был получен более широкий диапазон превышения: от 5.0 % (образец № 2) до 83.8 % (образец № 7), причем среднее для четырех реализаций значение превышения при количестве включений N=30 и содержании заполнителя, близком к оптимальному (0.336), составило 15.6 %. Последующие превышения (Вотан над Ястсдп) оказались значительно меньше - 2,4 % для реализации № 1 - 2,5 % для реализации N¡2 в практически (в пределах точности задания ступеней нагрузки) равно нулю для реализации № 7. Видно, что в значениях указанных превышений наблюдается хорошее соответствие между результатами физического и численного эксперимента (табл. 10).

Сопоставление результатов физического и численного эксперимента по показателям, характеризующим разброс прочности по длине образца

Показатель Прирост прочности после ликвидации самого опасного сечения образца, Сопоставительный при рост прочности после ликвидации одного из последующих опасных сечений образца

Реальный эксперимент 7.3-66.7 3.0-26.9 (среднее 14.9)

Численный эксперимент 6.0-83.8 0-25 (среднее 9.1)

Характер получаемого соответствия качественное и отчасти количественное качественное и количественное

Необходимо особо остановиться на значении прироста прочности после ликвидации самого опасного сечения образца или одного из последующих опасных сечений, а также на разбросе прочности между отдельными реализациями (№№ 1-4) численного эксперимента на бетоне одного и того же состава (структура I). Полученные как в физическом, так и в численном эксперименте значения прироста говорят о том, что известное явление разброса прочности по длине образца в меньшей мере связано с неравномерностью уплотнения бетонной смеси или другими технологическими факторами, а является следствием самой природы бетона как стохастически неоднородного материала.

Аналогично, анализ значений прочности бетона одной и той же структуры (от 2.0 до 3.5 МПа в численном эксперименте при среднем значении 2.725 МПа) говорит о том, что разброс прочности между отдельными образцами также является следствием самой природы бетона как стохастически неоднородного материала со случайно расположенными зернами заполнителя, начальными трещинами, имеющими случайную длину и случайную ориентацию.

Сравнение результатов физического и математического эксперимента показало их хорошее качественное, а по ряду показателей и количественное соответствие, как при осевом сжатии, так и при осевом растяжении. Полученные результат говорит о том, что разработанные на основе предложений Ю.В. Зайцева математические модели бетона, основанные на положениях линейной механики разрушения, с учетом заложенных в них предпосылок хорошо отражают реальную структуру бетона и возникающие в ней деструктивные процессы под действием осевой нагрузки.

Таким образом, рассмотренные математические модели бетона при использованием современной вычислительной техники позволяют ввести в широкую практику ма-

тематическое моделирование при подборе составов бетона с заданными механическими свойствами. Это, конечно, пофебует разработки соответствующего программного обеспечения и подготовки кадров, однако позволит значительно ускорить проведение работ и, что самое главное, расширим, диапазон возможных вариации компонентов бетона и их свойств.

Оценка сопротивления бетона различной структуры развитию трещин и исследование параметров механики разрушения, необходимых для математического моделирования поведения бетона под натрузкой, было проведено на основе результатов испытания образцов-балок с надрезами на четырехточечный изгиб.

Анализ результатов измерения характеристик сопротивления бетонов с различной структурой страгивашпо н росту трещин, показал, что указанные характеристики по-разному зависят от объемного содержания цементного камня ф (рис. 5). Это говорит об их самостоятельной роли.

Так, с увеличением количества заполнителей значения К1с растут до некоторого предела, а затем снижаются. Аналогично изменяются прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе и значения номинальных разрушающих напряжений в нетто-ссченип. Однако Ок при этом растет монотонно, причем более интенсивно - в крупнозернистых бетонах.

Полученный результат очень важен. Он говорит о том, что в бетонах с большей структурной неоднородностью развитие трстцин происходит значительно более устойчиво, чем в композитах с однородной структурой. На это же указывает тот факт, что почти все образцы крупнозернистых бетонов без надреза разрушаются устойчиво в отличие от мелкозернистых бетонов к цементного камня. Это также дает объяснение отсутствию верхней границы микротрещинообразования у цементного камня и мелкозернистого бетона.

Для количественной оценки устойчивости роста трещин можно использовать отношение энергетических характеристик сопротивления материала устойчивому росту трещины и ее страгивашпо . Если это отношение не превышает I, то развитие

трещины является неустойчивым. Чем выше это отношение, тем рост трещины можно считать все более и более устойчивым. В обычно применяемых тяжелых бетонах (с матрицей С) степень устойчивости роста трещин может достигать 2.5 и более.

0.73

0.50

0.25

Ок.Н/т

125

К^-.МПа- „1/1

ь /1

( 0-2 • * 3

• с» 1

100

75

0.25

0.50

Рис. 5 Зависимости и Ск от объемного содержания: а) цементного

камня фф и б) крупного заполнителя <ра. Цифрами обозначены:

1 - мелкозернистые бетоны; 2 - обычные тяжелые бетоны с матрицей А; 3 - обычные тяжелые бетоны с матрицей С

Влияние макроструктуры бетона на степень устойчивости развития трещин иллюстрируется на рис. 6.

Трещиностойкость исследованных обычных тяжелых бетонов почти не зависит от вида растворной матрицы, а определяется лишь относительным содержанием щебня <ри. Об этом говорит близость зависимостей К1о и Ск от фм для бетонов с матрицами А и С.

Влияние структуры на трещиностойкость бетонов можно объяснить следующим.

При испытании на любой вид растяжения (при изгибе, раскалывании и осевом) характер разрушения зависит от схемы испытания - с неустойчивым или устойчивым развитием одной магистральной трещины. В первом случае критерием разрушения яв-

ляется достижение сопротивления страгаванию трещины, во втором - ее медленному росту. ' '

2.0

1.5

ч о - 1 о -2 о -3

\

1

0.25

0.50

0.75

Фср

Рис. 6 Влияние макроструктуры бетона на степень устойчивости развития трещины. Цифрами обозначены: 1 - мелкозернистые бетоны;

2 - обычные тяжелые бетоны с матрицей А;

3 - обычные тяжелые бетоны с матрицей С.

Страгаванию трещины предшествует образование микротрещин в зоне предраз-рушения на контактах заполнителя с матрицей. Поэтому с ростом количества заполнителя увеличивается их суммарная поверхность, благодаря чему облегчается формирование зоны предразрушения и Кк снижается. С другой стороны, возрастает вероятность торможения матричных микротрещин на зернах заполнителя, что повышает значение Ки. Наложение этих двух тенденций ведет к неоднозначной, с локальным максимумом зависимости Кк (и других силовых характеристик трещиностойкости) от количества заполнителя. Сначала преобладает вторая тенденция, затем - первая.

В тяжелых бетонах, где прочность заполнителя много больше прочности матрицы, устойчивое развитие трещины идет в обход заполнителя, вследствие чего суммарная площадь разрушения (и значение Ск) с увеличением количества заполнителя существенно возрастает.

Полученные значения К,,, приведены в табл. 11 и 12.

Значения К,,, для цементного камня и мелкозернистого бетона

К |0, МПа/м"2, для состава с индексом

1 2 3 4 5 6 7 8

0.48 0.55 0.60 0.50 0.52 0.43 0.42 0.27

Таблица 12

Значения К1с для цементного камня, мелкозернистого и обычного тяжелого бетона

К,0, МПа/м"2, для состава с индексом

Н А В С О А| Аз Аз С, С2 С3

0.40 0.75 0.78 0.74 0.40 0.72 0.80 0.88 0.83 0.86 0.87

На рис. 5а и 7 показано изменение значений Кь для мелкозернистого бетона при изменении объемного содержания цементного камня <рст. Видно, что с его увеличением значение К|с сначала повышается, а затем падает, включая чистый цементный камень. Максимальное значение Кь для мелкозернистого бетона было получено при относительном объеме матрицы цементного камня, примерно, равном 0.6. Аналогичный вид имели и зависимости К,0 для тяжелого бетона с крупным заполнителем, построенные в функции от объема матрицы (как цементного камня, так и цементно-песчаного раствора).

На рис. 7 одновременно с изменением К,„ показано также изменение прочности на сжатие (кубиковой) и осевое растяжение. Прочность на растяжение меняется с той же закономерностью, что и К1о, кубиковая же прочность Яь плавно снижается по мере уменьшения содержания цементного камня. Полученные данные дают основание для вывода о наличии достаточно тесной корреляции между К[0 и КЬ|, а также показывают возможность подбора состава бетона с макроструктурой, обеспечивающей получение заданных характеристик механически разрушения.

При проведении длительного нагружения варьирование структур было принято с учетом результатов, полученных при кратковременном нагружении. При этом было уменьшено число составов мелкозернистого бетона за счет исключения тех, где начальная структура была нарушена из-за большого объема заполнителя, исключены модельные составы без мелкого заполнителя и одновременно добавлены составы трехкомпо-нентного бетона.

К1с , МП а/и

Яь.МПаЯы

0.2

0.4

0.6

0.8

80-8

60-6

40-4

20-2

0.2 0.4 0.6 • 0.8 1 Ф,

Рис. 7 Графики зависимостей К^, Иь, Яы от объемного содержания цементного камня ф^

В соответствии с задачами исследований, в числе прочих ставилась задача проверки гипотезы о связи предела длительной прочности бетона с напряжениями, соответствующими верхней параметрической точке С этой целью при проведении опытов в качестве критерия граничного уровня длительной нагрузки принималась верхняя параметрическая точка т.

Образцы бетона каждого из исследуемых составов были разбиты на три группы. Образцы первой группы нагружали так, чтобы напряжение в них было несколько больше верхней границы микротещинообразования а > Я^, второй примерно ей равны а я Яь.ис» а третьей несколько ниже ее <г< .

Оценку происходящего при длительном приложении нагрузки процесса микро-трещинообразования проводили на основе анализа объемных деформаций бетона 6(1.т,), определяемых по данным тензометрических измерений продольных и поперечных деформаций:

где е„(г.Т|) и т,) - соответственно продольная и поперечная деформации ползучести бетона к моменту времени (м,).

в(1.х,) = еи(е.х1)-2е31(1.т1).

В образцах первой группы а > ^^ (рис. 8) объемные деформации бетона до некоторого момента времени плавно уменьшались, а затем начинали расти, что свидетельствует об интенсивном развитии процесса микротрешинообразования. Через определенный промежуток времени, находившийся в пределах от нескольких до десятков минут, значение которого зависело от степени превышения длительных напряжений в бетоне над происходило разрушение образца. Влажностное состояние бетоиа в

процессе определения длительной прочности проявлялось в том, что высушенные до постоянной массы образцы разрушались во времени раньше воздушно-сухих и насы-шенно-влажных образцов, а значения их объемных деформаций были больше. Этот результат подтверждает гипотезу В.В. Михайлова о сдерживающей роли внутренних напряжений в бетоне, создаваемых менисками влаги в вершинах трещин.

В образцах второй группы в начале происходило незначительное уве-

личение объемных деформаций, что свидетельствует о некотором разуплотнении структуры бетона, связанным с развитием микротрещин. В дальнейшем объемная деформация не изменялась. По-видимому, такого рода процесс, когда накопление повреждений связано с незначительным увеличением объемных деформации, можно считать "критическим".

При длительном действии сжимающих напряжений, меньших , (третья

группа) наблюдалось незначительное уплотнение структуры бетона, т.е. уменьшение объемных деформаций, которые потом переставали изменяться во времени. Образцы этой группы не разрушались в процессе проведенного нами длительного нагружения. Можно предположить, что при этом уровне длительных напряжений либо процесса микротрешинообразования нет, либо процессы уплотнения и разуплотнения структуры бетона уравновешивают друг друга.

На основании результатов проведенных опытов с достаточной осторожностью можно считать, что если в течение I = 100-300 суток образец под действием длительно действующей нагрузки не разрушился, то предел длительной прочности Т1ы лежит выше данного уровня напряжений.

Изменение во времени объемных деформаций и интенсивности акустической эмиссии при длительно действующих напряжениях, меньших также дает основа-

ние считать, что предел длительной прочности бетона при сжатии не будет достигнут в течение реального срока эксплуатации конструкций.

Рис. 8 Изменение объемных деформаций 6(1, т,) образцов обычного тяжелого

бетона во времени. Буквами без штриха обозначены индексы составов бетона естественной влажности, а со штрихом - высушенного до постоянной массы. '

Отличными от приведенных выше оказались данные, полученные на образцах из мелкозернистого бетона. Как отмечалось ранее, напряжения, соответствующие верхней границе микротрещанообразвания, для таких бетонов близки к их призменной прочности. В связи с этим создать длительно действующие напряжения, большие верхней границы микротрещинообразования, не представлялось возможным. При достижении этого уровня напряжений время выдержки нагрузки до разрушения не превышало 2-3 минут и при этом не удавалось выявить какой либо закономерности изменения объемных деформаций.

При всех других (более низких) уровнях длительного напряжения образцы из мелкозернистого бетона всех составов за исключением состава О не разрушались, а характер развития их объемных деформаций свидетельствует о непрерывном уплотнении структуры бетона. Образцы же состава Б, характеризующегося очень малым содержанием цементного камня, даже при уровне длительного нагружения, составлявшего всего 30 % от призменной прочности, разрушались уже через несколько часов после начала нагружения.

Таким образом, опыты показали, что относительный предел длительной прочности г|ы для обычно применяемых мелкозернистых бетонов заметно выше соответствующих значений для тяжелых (трехкомпонентных) бетонов. Причина, по-видимому, состоит в большей их структурной однородности и, следовательно, в сравнительно меньшем количестве в них начальных концентраторов напряжений (микротрещин, трещин в контактной зоне, пор и т.п.). По этой же причине практически отсутствует длительная прочность у мелкозернистых бетонов с очень малым содержанием цементного камня, так как возникшая в ослабленной цементной матрице трещина при выдерживании нагрузки превращается в магистральную.

В процессе экспериментальных исследований, помимо выявления закономерностей деформирования и развития деструктивных процессов при воздействии длительной нагрузки, исследовалось влияние предшествующего обжатия бетона на его прочностные н деформационные свойства.

Опыты проводили на оставшихся неразрушенными после испытаний на ползучесть и длительную прочность образцах.

Эти образцы были разделены на две группы по уровню обжатия. К первой группе относили те образцы, где уровень длительной нагрузки составлял (0.3-05)11ь, что

близко к нижней границе микротрещинообразования Ко второй группе относили

образцы, нагруженные до (0.74 - 0.85)КЬ, что, соответственно, выше нижней границы

микротрещинообразования и равно или меньше верхней

Образцы, загруженные до относительного уровня напряжений Т1ь = (0.74-0,85)Кь, доводили до разрушения без разгрузки, образцы, загруженные до уровня г|ь = (0.3 - 0.5)Яь, сначала разгружали от длительно действовавшей нагрузки,

а затем доводили до разрушения. Одновременно проводили кратковременные испытания контрольных образцов-близнецов, хранившихся без нагрузки в тех же условиях, что и нагруженные образцы.

На основании полученных нами результатов были вычислены значения величины /и(1.т,) для различных значений I—т, по формуле /п(м,) = а-^).

Получено, что прочность бетона, подвергшегося длительному обжатию напряжением т] = (03-05)11,,, выше прочности бетона, нагруженного впервые. Такое повышение прочности начинает проявляться уже при напряжениях с < .

Экспериментальные данные были сопоставлены с зависимостями, предложенными для прогнозирования длительной прочности:

^ /Цы.) _ m(t.T,)^(t) I 1 Rt(xt) ~ Ъ(т,) у 1+Еь C'(t.t0)

k,krC(u0)£(.) 1 ' l/Ti+(n+m)kJ'

= 0.92-0.04/¿(t). (3

Чы = Rb,/Rb = R^/Rb =035 /gRb -0J75, (4

Для оценки зависимости (1). учитывая, что используемые данньп о /?b(t), ^w(t), £b/(t), c(t.T,) относились хотя и к большим, но конечным периода\ времени, для более надежного определения xibl при больших t — т, использовали значе ния c(t - т,), найденные по методике ГОСТ 24544 и работам E.H. Щербакова. При это к считали, что £b(t) = £b(t,), ./^(t) = ЯДт,). Кроме того, были определены значе ния /n(t.T,) для различных значений t — т, по формуле m(t.T,) = a-b/g(t).

На рис. 9 и 10 приведены построенные по указанным зависимостям кривые дли тельной относительной прочности т}Ь(, характеризующие время до разрушения при за данном уровне напряжений. Видно, что, начиная с определенного момента време ни t — т,. длительная прочность по зависимости (1) начинает возрастать. Это происхо днт за счет затихания деформаций ползучести во времени и некоторой условност! определения коэффициента ni(t.T,). Поскольку разрушение на восходящей вет ви (при t > tm) произойти не может, так как для этого потребовалось бы увеличение на грузки, минимум кривой, отмеченный на рис. 10. соответствует длительной прочности.

а)

1.00 0. 0.

■bf

** — - — , _ г

- 4/ - Г. 3 ■тш. *-*■

i 1 tere

01 0.03 0.07 0.14 0. 35 0.7 1.4 3. 5 7 1 Í 35 70 1' )0 суг. 30

V 0 •

• гг= rl _ .

* * -ir

i 1 tere ~ rr j t-T.) ¡

0.01 0.03 0.07 0.14

0.35 0.7 1.4

3.5

7 14

35 70 140 сут. 300

Рис. 9 Сопоставление экспериментальных данных о длительной прочности

обычных тяжелых бетонов с расчетными, полученными по формулам: 1 - Ю.В. Зайцева, 2 - В.М. Бондаренко, 3 - A.B. Яшина, 4 - О.Я. Берга

а) образцы естественной влажности;

б) образцы высушенные до постоянной массы.

■r- -I \ « • V 0 . * • •

--- m « 1 1 •

1 1 |tcrc t -T„cyr.

Рис. 10 Зависимость длительной прочности цементного камня и мелкозернистого бетона от уровня нагружения.

Таким образом, формула (1) верно описывает процессы, происходящие в бетоне при длительном воздействии нагрузки, учитывая при этом влияние состава бетона на предел его длительной прочности. Различие опытных и расчетных значений находилось в пределах (10-15) %.

По зависимости (4) для наших экспериментов получено значение т|ьг, равное 0.806, независимо от изменения во времени свойств бетона. Из сравнения опытных данных (рис. 9а) с вычисленными по формуле (4) видно, что несмотря на удовлетвори-

тельное соответствие начальных участков, зависимость (4) показывает дальнейшее снижение прочности бетойа при длительном действии нагрузка большей 'критического" значения, т.к. не учитывает "критической" продолжительности ее действия.

Зависимость (3) позволяет определять длительную прочность бетона только при действии нагрузки около 50 лет. Сопоставление опытных данных с вычислениями по зависимости (3) показало, что она дает заниженные значения Иы/Кь для мелкозернистого бетона: расхождение между опытными и расчетными значениями достигает 20-25%. а предел длительной прочности - во всех случаях меньше напряжений нижней границы 95% доверительного интервала для опытного значения Однако для обычных тяжелых бетонов наблюдается удовлетворительное совпадение.

При расчете по формуле (2) множитель перед функцией <р, =с(1,т,)£(1) вычислялся по рекомендациям В.М. Бондаренко. Формула (2) отличается от формулы (1) только отсутствием функции /й^.т,) . Поэтому на начальных участках при длительности действия нагрузки кривые длительной прочности, вычисленные по

этим формулам, практически не отличаются друг от друга. В дальнейшем кривая по формуле (2) не имеет характерного "загиба", а асимптотически приближается к некоторому пределу т,ы. Иными словами, зависимость (2) не учитывает критической длительности действия нагрузки.

Выполненное сопоставление опытных данных с теоретическими предложениями показывает, что для разных видов бе-гона указанные предложения обладают ограниченными возможностями, за исключением зависимости Ю.В. Зайцева. Учитывая сказанное, представляется целесообразным разработать практические предложения по прогнозированию параметров длительной прочности бетона при сжатии на основе рекомендуемой зависимости.

По результатам диссертационной работы были разработаны:

рекомендации по определению границ микротрещинообразования с использованием комплекса физических методов тензометрии, ультразвука, акустической эмиссии; практические предложения по учету снижения прочности бетона при длительном сжатии с учетом его макроструктуры и влажности; предложения по назначению для бетонов с различной макроструктурой расчетного значения прочности бетонов на осевое растяжение по результатам опытов на сжатие и осевое растяжение; нормирование тре-щиностойкосги бетона по его прочности на растяжение, которые вошли в нормативные документы различных рангов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Комплексные исследования широкой гаммы составов бетона, проведенные при разных видах напряженного состояния и условиях нагружения, с использованием одних и тех же компонентов бетонной смеси, позволяют с достаточной степенью достоверности выявить закономерности влияния структуры бетона на его механические, структурно-механические характеристики и параметры механики разрушения и установить соотношения полученных оценок для разных условий работы материала.

2. Применение специально разработанных методик и оборудования, позволяющих оценить и исключать методические погрешности при проведении измерений, повысить их точность и достоверность, и использование для проведения исследований модельных составов с соотношениями компонентов, выходящими за диапазон реально применяемый на практике, позволили получить более полные закономерности изучаемых зависимостей.

3. Разработана методика экспериментального определения параметров трещино-стойкости бетона, позволяющая снимать полную диаграмму деформирования при изгибе и кинетику роста трещины, используя стандартные образцы и средства измерения и испытания. Проведенные с ее использованием эксперименты на материалах с различной структурой позволили установить факторы, влияющие на характер роста трещин и деформирования на разных стадиях нагружения. Выявлена возможность определения всех основных параметров трещнностойкости (силовых, деформационных, энергетических) на стадии устойчивого роста трещины по нисходящей ветви диаграммы деформирования. Установлены зависимости характеристик трещнностойкости бетона от его макроструктуры на стадиях страгивания и устойчивого роста трещины.

Установлена экспериментально связь силовых характеристик трещнностойкости с прочностью бетона на растяжение. На основе проведенного анализа показано, что эта связь для двух- и трехкомпонентных структур не может быть описана единой зависимостью.

4. Показана возможность моделирования на ЭВМ процесса деформирования и разрушения бетона с использованием методов механики разрушения. Разработаны математические модели процесса деформирования и разрушения двухкомпонентного материала типа бетона при одноосном растяжении и сжатии. Получены расчетные значения пределов прочности, границ микротрещинообразовання, деформаций и характера разрушения бетонов хорошо согласующиеся сданными физического эксперимента.

5. На основе физического и математического эксперимента установлена связь прочностных и деформационных характеристик бетона при одноосном сжатии и рас-

тяжении с параметрами его структуры. Показано, что влияние содержания компонентов на значения механических характеристик связано с количеством компонентов в структуре композитного материала. Для двухкомпонентных структур (матрица-заполнитель) при изменении свойств заполнителя зависимости при одном виде напряженного состояния имеют качественно одинаковый характер, но разные численные оценки.

6. На основании сопоставительного анализа результатов экспериментов при растяжении и сжатии установлено, что влияние параметров макроструктуры на механические свойства материалов типа бетона может быть различным. Показано, что отношение модулей упругости бетона при сжатии и растяжении отличается от единицы и зависит от числа и свойств структурных составляющих, т.е. показано, что бетон является разномодудьным материалом.

7. Разработана методика измерения и оценки структурно-механических характеристик материалов типа бетона с помощью комплекса физических методов, включая тензометрический, ультразвуковой, акустической эмиссии, позволяющая получать достоверные оценки этих параметров при кратковременном и длительном приложении нагрузки.

8. На основании экспериментов, проведенных параллельно на одних и тех же материалах с вариациями их структуры при кратковременном и длительном нагружении при разных уровнях напряжения, установлена связь между структурно-механическими характеристиками, получаемыми при кратковременных испытаниях, и параметрами ползучести и длительной прочности.

Предложены методы оценки пределов линейной и нелинейной ползучести и длительной прочности по значениям уровней напряжений в параметрических точках диаграмм деформирования.

9. Показано влияние на исследуемые характеристики и связь между ними условий влагообмена материала и окружающей среды при длительном нагружении. При этом установлено, что высушивание бетона значительно сказывается на его свойствах при кратковременном и длительном нагружениях.

10. Проведенные исследования создают основу для проектирования составов тяжелых бетонов с заданными кратковременными и длительными механическими свойствами.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Красновский P.O., Сахиев Д.М. Влияние влажности на прочностные и деформационные свойства бетонов при одноосном сжатии //Влияние климатических условий и режимов нагружения на деформации и прочность конструкционных бетонов и элементов железобетонных конструкций. -Тбилиси:, 1985. - с. 34-35.

2. Красновский P.O., Сахиев Д.М. Влияние скорости нагружения бетона на его прочностные и деформационные свойства при кратковременном сжатии //Влияние климатических условий и режимов нагружения на деформации и прочность конструкционных бетонов и элементов железобетонных конструкций. - Тбилиси:, 1985. - с. 31-33.

3. Красновский P.O., Сахиев' Д.М. Исследование влияния влажности и температуры на показания тензорезисторов при длительных испытаниях //Влияние климатических условий и режимов нагружения на деформации и прочность конструкционных бетонов и элементов железобетонных конструкций. - Тбилиси:, 1985. - с. 36-37.

4. Сахиев Д.М. Исследование влияния влажности и температуры на измерения деформаций ползучести и использованием методов тензометрии //Измерение физико-механических свойств строительных материалов. -М.: Сб. научн. тр. ВНИИФТРИ, 1986. - с. 112-116. ■

5. Сахиев Д.М. Исследование длительной прочности и ползучести бетонов с учетом их влажности //Исследование физико-механических характеристик бетона. -М.: ВЗПИ, 1986. - с. 35-39.

6. Сахиев Д.М. Исследование границ микроразрушений при сжатии //Технология, расчет и конструирование железобетонных конструкций. - М.: НИИЖБ, 1986. -с. 147-150.

7. Сахиев Д.М. Длительная прочность разных видов бетона с учетом влияния сухого и жаркого климата //Использование местных строительных материалов. - Кызылорда:, 1987. - с. 93-99

8. Зайцев Ю.В., Сахиев Д.М., Султыгова П.С. Математическая модель процесса деформирования и разрушения бетона //Научно-техническое творчество молодежи "НТТМ-86". - М.: ВДНХ, 1987. - 22 с. . .

9. Зайцев Ю.В., Сахиев Д.М., Симкин Я.В. Автоматизация исследований длительной прочности бетонов //Строительные материалы и конструкции. -Киев: Будивэльник, 1988. - N 2. - 32 с.

10. Красновский P.O., Кроль И.С., Казацкий М.Б., Цаава Г.Ф., Сахиев Д.М. и др. Методика определения, прочностных и деформативных характеристик бетонов при кратковременном сжатии и растяжении //МИ-11-87 - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 142 с.

11. Красновский P.O., Кроль И.С., Казацкий М.Б., Снмкнн Я.В., Сахиев Д.М. и др. Стандартная методика определения прочности и границ микротрещинообразованая в бетоне методом структурно-иммитационного моделирования. - М.: НПО ВНИИФТРИ, 1988. - 120 с.

12. Щербаков E.H., Снмкин Я.В., Зайцев Ю.В., Красновский P.O., Сахиев Д.М. и др. Методические указания по определению акустическими и тензометрическиыы методами деформативных и структурных характеристик бетонов при одноосном кратковременном сжатии. М.: ЦНИИС, 1988. - 122 с.

13. Сахиев Д.М. Быстронатекающие деформации ползучести бетона //Исследования местных строительных материалов. -Кызылорда:, 1988. - с. 22-26.

14. Еримбетов Б.Т., Сахиев Д.М., Сахиев К.С. Исследование бетонов с учетом влажности структуры, применяемых в разнотипных несущих конструкциях, многоэтажных каркасных зданиях //Архитектура и строительство - поиски решения. - Алма-Ата:, 1989. - с. 23-25.

15. Еримбетов Б.Т., Сахиев К.С., Сахиев Д.М. Исследование совместной работы рам и диафрагм многоэтажных зданий с железобетонным каркасом с учетом структуры в влажности бетона //Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении. - Белгород:, 1989. - с. 33-38.

16. Зайцев Ю.В., Сахиев Д.М. Сравнение прочностных характеристик бетонов естественной влажности и высушенных до постоянной массы //Исследования местных строительных материалов - Кызылорда:, 1990. - с. 19-22.

17. Красновский P.O., Сахиев Д.М. Определение границ микротрещино-образования бетонов с учетом их структуры и влажности //Исследование местных строительных материалов. - Кызылорда:, 1990. - с 23-25.

18. Сахиев Д.М., Абдраманов С.У., Сахиев К.С. Прогнозирование длительной прочности бетонов II Повышение долговечности и эффективности работы конструкции сельскохозяйственных зданий и сооружений. - Челябинск:, 1992. -с. 1 ¡2-114.

19. Зайцев Ю.В., Сахиев Д.М., Бишимбаев В.К. Исследование связей границ микротрещинообразования с длительной прочностью бетонов //Актуальные проблемы науки, технологии и производства. - Шымкент:, 1993. - с. 87-88.

20. Сахиев Д.М., Доркин В.В. Прогнозирование длительной прочности бетонов с учетом структуры //Новые в технологии, расчете и конструировании железобетонных конструкций. - М.: НИИЖБ, 1993. - с. 93-95.

21. Сахиев Д.М. Экспресс-метод прогнозирования длительной прочности бетонов.

- Кызылорда, КИИАП, 1993. - 25 с.

22. Сахиев Д.М., Зайцев Ю.В. Железобетонные конструкции. Учебное пособие.

- Кызылорда, КИИАП, 1993. - 112 с.

23. Игембаев Ж.А., Сахиев Д.М. Учет длительной прочности бетонов в расчетах железобетонных конструкции. - Кызылорда, КИИАП, 1994. - 40 с.

24. Сахиев Д.М., Тахер А. Оценка трещиностойкости бетона с учетом роли макроструктуры. - М.: Электронное приложение, 1995.-Na 10. - с. 15-16.

25. Сахиев Д.М., Доркин В.В. Теоретический подход к оценке длительной прочности бетона с позиций механики разрушения //Исследование физико-механических свойств бетона. - М.: МГОУ, 1995. - с. 66-69.

26. Красновский Р.О., Цаава Г.Ф., Сахиев Д.М. Модуль упругости бетона при растяжении и сжатии //Гидротехническое строительство, - N 2. 1996. - 6 с.