автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение прочности и трещиностойкости структуры современных цементных бетонов

На правах рукописи

У

Коротких Дмитрий Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СТРУКТУРЫ СОВРЕМЕННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ: ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ

05.23.05 -Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005557853

15 2015

Воронеж - 2014

005557853

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный консультант: Чернышев Евгений Михайлович

доктор технических наук, профессор, академик РААСН.

Официальные оппоненты: Бела» Владимир Владимирович

доктор технических наук, профессор; Тверской государственный технический университет, проректор по инновационному развитию. Макридиа Николгй Иванович доктор технических наук, профессор; Пензенский государственный университет строительства и архитектуры, профессор кафедры «Технология строительных материалов и деревообработка». Селяег Владимир Павлович доктор технических наук, профессор, академик РААСН; Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, зав. кафедрой «Строительные конструкции».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Защита состоится «27» марта 2015 года в 1022 на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 394680, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, ауд.3220. Тел. (факс): (473) 271-59-05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте http://edu.vgasu.vrn.ru/SiteDirec-и>гуЯ)и8оуЯ)212.033.01.

Автореферат разослан «25» декабря 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Формирование структуры современных высокотехнологичных бетонов, отличительными признаками которых являются часто существенно более высокая дисперсность зернистых компонентов, повышенные значения площадей поверхности раздела фаз, преобладание мелко- и скрытокристаллических сростков новообразований, возросшая плотность, увеличенное поэтому число физических и физихо-химических контактов в единице объема материала, создает противоречивую ситуацию, в которой, с одной стороны, сформированная структура обеспечивает возрастающую прочность материала при сжатии, а с другой стороны, — делает его относительно более хрупким и менее трещиностойким.

Трещиностойкость структуры современных бетонов как комплексная категория сопротивления разрушению является главным критерием их эффективности, поскольку механизм разрушения, по сути, определяется процессом развития трещин в структуре материала. Категория «трещиностойкость» для бетонов раскрывается в виде совокупности показателей сопротивления разрушению, характеризующих это сложное явление не только как конечный акт, но и как кинетический процесс деформирования и накопления повреждений в структурированной системе материала. В такой постановке «проблемы трещиностойкости бетонов» принципиальное положение и первостепенное методологическое значение приобретает структурный подход. Из этого следует, что актуальность исследований и их содержание предопределяются необходимостью рассмотрения механизма разрушения цементных бетонов, закономерной роли их состава и структуры в реализации этого механизма, обоснования на базе учета механизма разрушения возможных принципов управляющего воздействия на показатели сопротивления разрушению, разработки технологических приемов оптимизации состава и структуры материалов при обеспечении требуемого уровня их конструкционного потенциала и прежде всего трещиностойкости.

Развитие научного знания, раскрытие механизмов и закономерностей механики деформирования и разрушения высокопрочных высокотрещиностойких бетонов, выявление принципов формирования структуры, разработка материаловедческих и технологических решений получения таких бетонов является актуальной проблемой и принимается в данной работе в качестве предмета исследований. Развитие этого направления имеет важное практическое значение для управления долговечностью и надежностью строительных конструкций и для совершенствования технологии бетонов по критериям их качества и технико-экономической эффективности.

Пель работы: разработка научно-инженерных решений управления сопротивлением разрушению современных цементных бетонов повышенной трещиностойкости на основе формирования (конструирования) их оптимальных структур.

Ведущая научная концепция. Формирование напряженно-деформированного состояния и проявление конструкционного потенциала материала является отражением кинетических процессов диссипации энергии внешнего силового воздействия по его структурным связям, локализации и концетрации в них напряжений. Условия диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений предопределяются параметрами структуры бетонов на всех масштабных уровнях иерархического строения их твердой фазы и порового пространства. Формирование и оптимизация структуры бетонов в целях повышения их трещиностойкости опирается на складывающийся и развивающийся арсенал решений, парадигм и принципов структурообразования в технологических платформах. Конструирование структур бетонов на основе положений разви-

ваемого бетоноведения и технологических платформ обеспечивает решение задач повышения их эффективности по показателям диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений при обеспечении повышенной трещикостойкости.

В соответствии с целью работы и на основании выдвинутой научной концепции определены следующие задачи исследований:

1. Рассмотреть условия и процессы диссипации, локализации и концентрации напряжений в структурированных системах, деформирования и разрушения цементных бетонов и обосновать систему структурных факторов управления их сопротивлением разрушению на основе анализа и развития положений физико-химической механики, механики деформирования и разрушения твердых тел.

2. Систематизировать обобщенные подходы, парадигмы и соответствующие им принципы формирования структур высокопрочных цементных бетонов.

3. Выявить закономерности механики деформирования современных цементных бетонов и комплексно охарактеризовать потенциал сопротивления разрушению в связи с их структурой. Рассмотреть общность, специфичность и противоречия потенциала сопротивления разрушению различных по структуре и назначению бетонов в диапазоне от рядовых до сверхвысокопрочных.

4. Экспериментально исследовать возможности изменения условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений в бетоне при управлении формированием его структуры по критериям торможения процессов роста и распространения трещин в материале и комплексно охарактеризовать показатели деформирования и разрушения высокотрещиностойких бетонов как кинетического процесса.

5. Рассмотреть прикладные инженерно-технологические задачи получения высокопрочных цементных бетонов посредством регулирования их состава и конструирования структуры.

6. Осуществить экспериментальную оценку сохранения конструкционного потенциала структуры современных цементных бетонов при моделировании изменений в ней при длительном действии факторов эксплуатационной среды.

Основные методологические и методические положения постановки исследований учитывают необходимость:

V обеспечения методологии системно-структурного подхода;

V использования при осуществлении экспериментальных исследований типичных структур современных цементных бетонов, обеспечивающих широкий диапазон варьирования параметров их строения;

•S комплексного применения физико-химических методов идентификации структуры для ее количественной оценки;

S применения согласованного комплекса методов и методик исследования показателей кинетики сопротивления разрушению современных цементных бетонов;

■S математической интерпретации экспериментальных данных в задачах конструирования рациональных структур высокопрочных бетонов и определения технологических условий их получения.

Связь работы с научными программами. Исследования и разработки выполнялись в рамках: ведомственной научной программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме «Разработка научных и инженерных решений в конструировании структур высокопрочных бетонов для современного строительства и ремонта» (2005 г.); планового задания Федерального агентства по образованию «Развитие теории системно-структурного материаловедения и высоких технологий строительных композитов нового поколения» (2003 - 2007 г.г.), «Развитие теории и основ

конструирования структур наноструктурных композитов нового поколения (2008 -2012 г.г.); по программе фундаментальных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие строительного материаловедения, технологии и нанотехноло-гии. Новые высокопрочные, сверхпрочные, легкие, сверхлегкие и долговечные строительные композиционные материалы» (2002 - 2014 г.г.); гранта РФФИ 09-08-13733-офи_ц «Механика проявления конструкционных свойств высокопрочных высокотехнологичных бетонов как функция процессов их структурообргзования» (2009-2010 г.); грантов молодых ученых РААСН «Разработка высокопрочных бетонов на основе модифицирования их структуры наноразмерными частицами» (2006 г.), «Синтез наномо-дификаторов и разработка технологии наноструктурирования высокопрочных бетонов» (2009 г.) и др.

Научная новизна работы.

С позиций механики деформирования и разрушения обоснованы принципы управления сопротивлением разрушению высокопрочных цементных бетонов, учитывающие закономерное влияние структуры на параметры и характеристики процессов диссипации энергии внешних воздействий в структуре бетона, локализации и концентрации напряжений в структуре как иерархически организованной системе.

На основе анализа эволюции научно-инженерных подходов к структурообразова-нию цементных бетонов обозначены архаическая, механо-физическая. физико-химическая, нанотехнологическая технологические платформы развития бетоноведения, и соответственно выделены обобщенные парадигмы формирования их структур, обеспечивающие закономерно повышающийся уровень сопротивления материала разрушению посредством целенаправленного изменения условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений в структуре цементных бетонов.

Для введенных пяти групп бетонов, различающихся их структурой (от крупно- до мелко- и микрозернистой) и сопротивлением разрушению (от 40 до 140 МПа по прочности при сжатии), охарактеризован их конструкционный потенциал и установлены принципиальные особенности деформирования. Для этого обоснован, предложен и применен метод анализа зон активной диссипации энергии в структуре бетона при нагружении, позволяющий выявлять и количественно характеризовать развитие диссипации энергии внешних воздействий е структуре бетона, локализации и концентрации напряжений, раскрывать связи напряженно-деформированного состояния бетону с его структурой.

Установлено закономерно нарастающее противоречие между достигаемым повышением предела прочности при сжатии и относительным снижением трещиностойко-сти структуры бетонов предопределяемое более высокой дисперсностью зернистых компонентов. повышенными значениями площадей поверхности раздела фаз. существенно увеличенным числом физических и физико-химических контактов в единице объема материала, возросшей плотностью, преобладанием мелко- и скрьггокристаллических сростков новообразований.

С учетом технологических платформ (их парадигм и принципов) предложены подходы и обоснованы решения по изменению условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений в бетоне за счет повышения удельного объема твердой фазы и сокращения удельного объема порового пространства, оптимизации системы сложения зернистых включений различных масштабных уровней структуры, введения зернистых включений с определенным модулем деформативности, формирования повышенного количества скрытокристаллических новообразований в матрице,

изменения степени закристаллизованное™ цементирующего вещества, снижения величин концентрации напряжений в структуре бетона, поуровневого и многоуровневого дисперсного армирования структуры.

Для оценки конструкционного потенциала высокопрочных бетонов в эксплуатационном цикле экспериментально рассмотрены закономерности возможного изменения их структуры и свойств при длительном температурном и влажностном воздействии. Показано, что структура традиционных бетонов при длительном температурном стимулировании процессов их структурообразования после завершения технологического цикла изменяется существенно более интенсивно (с заметным ростом степени гидратации, повышением закристализованности системы, снижением количества рент-геноаморфных фаз), чем структура современных высокотехнологичных бетонов. Вместе с этим доказано, что для высокопрочных модифицированных бетонов характерно более значительное снижение характеристик прочности и трещиностойкости при увлажнении, чем для бетонов традиционной структуры.

Экспериментально показано, что возможность изменения баланса сил по фронту развивающейся трещины, то есть изменение условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений в бетоне посредством многоуровневого дисперсного армирования его структуры, принципиально меняет не только значение показателей деформирования, но и сам тип разрушения бетонов в направлении от хрупкого к псевдопластическому.

Высокотрещиностойкие бетоны с дисперсным армированием их структуры практически не меняют уровень сопротивления разрушению как при длительном температурном воздействии, так и в водонасыщенном состоянии, псевдопластический тип разрушения, диссипация энергии внешнего воздействия на весь объем структурных связей, структурные условия торможения трещин предопределяют их высокую эффективность.

Практическая значимость работы определяется возможностями решения на основе ее научных результатов прикладных задач материаловедения и технологии современных цементных бетонов. Полученные количественные зависимости взаимосвязи характеристик деформирования и разрушения бетонов с параметрами их структуры позволяют ставить задачи конструирования структур и, соответственно, обоснования требований к составам и параметрам технологии бетонов с комплексом задаваемых свойств и характеристик.

Результаты исследований практически важны для получения современных цементных бетонов повышенной трещиностойкости с прочностью от 40 до 140 МПа; для сверхвысокопрочных бетонов разработанные технологические решения обеспечивают возможность увеличения вязкости разрушения в четыре раза, предельной растяжимости на порядок, работы разрушения - в 30 раз;

Результаты исследований обеспечивают высокую технико-экономическую эффективность структур бетоноз по показателям: удельной прочности при сжатии, отнесенной к расходу цемента, — на уровне 0,3 МПа/кг, что в 2-2,5 раза выше, чем для традиционных бетонов; удельной вязкости разрушения, отнесенной к расходу цемента, -на уровне 5,5 кН/м3/2 кг и более (2-2,5 кН/м3/2 кг характерно для структуры традиционных бетонов); удельной работа разрушения, отнесенной к расходу цемента, на уровне 15 Дж/кг, что более чем в 80 раз превышает значение аналогичного показателя для традиционных бетонов.

На основе разработанных решений обеспечивается также ресурсная возможность выпуска высокопрочных цементных бетонов при использовании сырьевых материалов

рядового качества.

Реализация работы. Инженерная реализация работы осуществлена в сфере производства и применения бетонов для сгроительства атомных электростанций в России и за рубежом. В этом направлении приняты:

S в качестве перспективных решения по применению высокопрочных бетонов для строительства АЭС нового поколения (заказчик: ОАО «Всероссийский научно - исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций»);

S технология изготовления панелей несъемной опалубки из высокопрочного ста-лефибро- и стеклофибробетона (до В100 и более), имеющая перспективу многократного применения при строительстве АЭС в России и за рубежом (заказчик: ЗАО «Институт «Оргэнергострой», г. Москва);

■S технологические регламенты на бетонирование и технические задания на подбор составов бетонов (В25-В60) для особо опасных и особо сложных объектов Нововоронежской АЭС-2, Балтийской АЭС, Белорусской АЭС, Ленинградской АЭС-2 (заказчик: ЗАО «Институт «Оргэнергострой», г. Москва);

■S технологические решения бетонирования блоков сухой защиты реакторного здания (блок №2) Нововоронежской АЭС-2 высокопрочным (B40-B4S) серпентинитовым бетоном (заказчик: ЗАО «Институт «Оргэнергострой», г. Москва);

■S технология бетонирования высокопрочным (В40-В50) самоуплотняющимся бетоном отработанных промышленных уран-графитовых реакторов ПУГР для их захоронения (заказчик: ОАО «Раопроект», г. Санкт-Петербург);

■S технические требования к бетонорастворному хозяйству АЭС «Руппур» для выпуска бетонных смесей заданного качества (В25-В60) с учетом свойств сырья Народной республики Бангладеш (заказчик: ЗАО «Институт «Оргэнергострой». г. Москва);

■S технические требования к бетонорастворному хозяйству АЭС «Аккую» для выпуска бетонных смесей заданного качества (В25-В60) с учетом свойств сырья Турецкой республики (заказчик: ЗАО «Институт «Оргэнергострой». г. Москва).

Разработаны технологические решения получения высокопрочных цементных (В40-В60) бетонов с использованием сырьевых материалов рядового качества и внедрены в производство в ООО «Коттедж-Строй» г. Россошь Воронежской области.

Разработанная инструментальная методика выявления зон активной диссипации энергии в структуре бетона при нагружении применена для расчета и анализа протяженности и объема зон диссипации энергии внешних воздействий в структуре бетона, локализации и концентрации напряжений.

Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс Воронежского государственного архитектурно-строительного университета: использованы при подготовке спецкурсов «Физико-химические основы получения высококачественных материалов» для магистрантов направления 221700 - «Метрология, стандартизация, сертификация». программа 221700.1 - «Экономика стандартизации и управление качеством», в курсовом и дипломном проектировании, при подготовке магистерских диссертаций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на VIII, XII академических чтениях РААСН (Самара, 2004 г.; Казань, 2010 г.); на XVII, XVIII научных чтениях «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройинду-стрии» (Белгород, 2005, 2007 гг.); Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» (Воронеж, 2008 г.); Международной конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» (Украина, г. Одесса,

2010 г.. I'. Санкт-Петербург. 2012 г.. г. Воронеж. 2013 г.); ежегодных научно-практических конференциях Воронежского ГЛСУ (2002....2014 гг.); VI Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, 2011 г.); Международной научной конференции «Строительные конструкции 'здании и сооружении: проектирование, возведение, реконструкция, обслуживание» (Украина, г. Донецк, г. Макеевка, 2011 г.); на заседаниях Ученого сонета Отделения строительных наук РААСН (Москва. 2010, 2011, 2012, 2013 гг.): Международной конференции «Геоника: - Проблемы строительного материаловедения; "Энергосбережение; 'Экология» (г. Белгород. 2012 г.): Обучающем семинаре для турецких строителей А')С «Лккую» (Турция, г. Мерсин - нос. Ешидоваджик, 2013 г.): Международной научной конференции «'Эффективные композиты для архитектурной геопики» (г. Белгород. 2013 г.); Международной конференции «Механика разрушения строительных материалов и конструкций» (г. Казань, 2014 г.); Академических научных семинарах и круглых столах ОТЛЦ «Архстройнаука» Воронежского ГАСУ (г. Воронеж. 2002. ..2014 гг.) и др.

Публикации. Основные результаты и положения диссертационных исследований представлены в 40 статьях и монографии; в том числе 10 статей опубликовано в ведущих рецензируемых изданиях, получен 1 патент РФ.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором, а также в рамках руководства исследованиями, в котором автору принадлежит определяющая роль в формулировке проблем, целей и задач исследований, в планировании и проведении экспериментов, анализе и обобщении подученных результатов. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, в равной степени принадлежа! сформулированные теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, их анализ и обобщение, раскрывающие научную новизну работы. а также прикладные разработ ки, подт верждающис ее практическую значимость.

Достоверность научных результатов обеспечивается методически обоснованным комплексом теоретических и 'экспериментальных исследований; применением современных методов анализа структу ры и новых методик оценки показателей деформирования и разрушения бетонов; выполнением исследований на поверенном экспериментальном оборудовании; ст атистической обработкой с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний: сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также их сравнением с результатами, полученными другими авторами.

Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 354 страницы состоит из введения, 7 глав, основных выводов и 5 приложений, включает 94 рисунка и 49 таблиц. Список литерату ры содержит 391 наименование.

Автор защищает.

Предлагаемые структурные факторы управления сопротивлением разрушению, обобщенные принципы формирования структуры цементных бетонов в широком диапазоне варьирования их структурных характеристик, прочности и повышенной тре-шипостойкостл. соотносимые с технологическими платформами и их парадигмами.

Результаты теоретических и 'жепериментальиых исследований закономерностей влияния структуры цементных бетонов па уровень показателей их сопротивления разрушению, па процессы деформирования и разрушения, предопределяемые управлением условиями диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений в ма1ерналс.

S Обобщения, выводы. рекомендации поуправлению пруктурой. v<wipi>пилением разрушению и трещи ностой костью современных цементных бетонов, но сохранению их конструкционного потенциала в условиях длительного температурного н влажности ого возлей стви я.

Разработки по технологии высокопрочных грепишосюйкнх бетонов для различных условий практического применении

•S Разработанные метол и методику выявления активных зон лнссипации -шер-тин как критерии эффективности структуры при деформировании бетонов и их рззру-шении.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Постановка проблемы. Потенциал сопротивления разрушению мак-риала действию любых видов нагрузок (механических, химических, термических, влажностных и лр.»определяется его составом, структурой и состоянием как ни момент изготовления, так и на -»тале длительной "жеплуатишп в конструкции. Процесс деформирования и разрушения бетона необходимо характеризовать именно с учетом определяющей роли его струю у ры и использовать что для управления показателями сопротивления разрушению. С" термодинамической точки зрения деформирование и paipy-шеннс бетонов представляют собой многостадийный кинетический процесс: лнссипации inepi ии внешнею силового воздействия но его структурным связям: формирования неоднородною по парамс|рам локализации и концентрации поля внутренних деформаций: термофлу к-туационного разрыва структурных физико-химических связей в перенапряженных областях: трс-шинооброзомання. пакоплсиня повреждений и их прорастания в макротрещину и последующий ее рост (рис. 1). 11оггтому процесс деформирования и разрушения важно характер» ювать именно с Потенциал сопротиялеииТструктуры (конструкции) учетом определяющей роли

структуры бетона.

Рис. 1. Диссипация, локализация, концентрация Развитие стру кту рного

энергии в структуре материала ««w» применительно к

проблемам деформирования, разрушения и прочности бетонов получено в работах В.Г. Скрамтасва. В В Михайлова. A.A. Гвоздева. И.Н. Ахвердова. Ю.М. Баженова. Р.И. Кулеш к1 кою. С.С. Гордона.

A.П. Десова. Ю.В. Зайцева. В В. Белова. А.Е. Шейкниа. U.M. Грушко. И.А Рыбьева. Г.И. Горчакова. И.А. Иванова. П.1. Комохова. А.Ф. М|урова. K.M. Чернышова. Jt.lt. Макрнлииа. Г.В. Нссветаева. В.И. Калашникова. Ю.В. Пухаренко. Н И. Соломаюва.

B.П. С'сляева. В. А. Во тесе некою. A.S. Ndumu. F. Ansah. R. Ballarini. J.J. Bcaudoin. II. Dahl. P.Ii. Petemoo. J.P. Romuald». Swamy R N. и др.

I гхнолш ичегкнг платформы, паоалш мм и принципы формирования )ф-фективных структур цементных бетонов. Основные концептуальные установки. си-

Среда, силовое воздействие

II

Ii

пряобриомпль

стемы формирующихся представлений, характерные для определённого этапа развития научных знаний по проблеме формирования структуры и прочности цементных бетонов, рассматриваются как парадигмы соответствующих технологических платформ. Эволюционное развитие понимания структуры как определяющего концептуально-методологического фактора в разработке высокоэффективных строительных композитов с совершенствованием методов качественной и количественной ее идентификации, со сменой парадигм конструирования, происходило в направлении от макро-, через мезо-к микроструктуре и неизбежно дошло до наноструктурного уровня.

На современном этапе развития материаловедения и технологии бетонов определяющим оказываются уже не только и не столько проблемы, собственно, прочности, сколько проблемы эффективности технологии бетона и самого бетона по критериям ресурсоемкости в расчете на единицу измерения его конструкционного и функционального качества. В этой связи принципиально важно «включить в действие» всю сумму накопленного знания и системно опереться на арсенал всех парадигм и соответствующих им технологических платформ формирования и получения оптимальных структур бетонов - механо-физической, физико-химической, нанотехнологической платформ.

В научном смысле указанные платформы выстраиваются из суммы соответствующих фундаментальных знаний, обеспечивающих научно-обоснованное рассмотрение проблем конструирования и синтеза структур в их закономерной связи со свойствами получаемого материала. В механо-физической платформе, отвечающей задачам формирования оптимальной макро- и мезострукгуры, это, прежде всего, механика и реология зернистых сред; в физико-химической платформе, нацеленной на решение задач управления формированием микроструктуры, это химическая кинетика гетерогенных процессов, коллоидная химия, физическая химия поверхностных явлений, кристаллохимия и др.; в нанотехнологической платформе, затрагивающей проблемы структуро-образования матричной субстанции бетонов на самом «тонком» уровне ее строения, это нанохимия, интегрировавшая современные достижения физики и химии твердого состояния. Вся совокупность фундаментального знания этих наук в отношении бетонов образует современную технологическую платформу.

И механо-физические, и физико-химические, и нанотехнологические принципы и механизмы, отвечающие существу технологических платформ, по содержанию своему соответствуют определяющим парадигмам формирования структур:

- обеспечения повышенной плотности, то есть увеличение массы бетона в единице его объема;

- достижения оптимальной однородности-неоднородности размещения субстанциональной массы в объеме структуры;

- оптимизации содержания компонент структуры, предопределяющих меру проявления свойств упругости, вязкости, пластичности бетона при деформировании и Сопротивлении его разрушению.

Эти принципы, парадигмы, как видно, отвечают методологии структурного подхода. Во-первых, существу механизма включения в работу, в сопротивление силовым воздействиям создаваемых структурных связей материала - структурных связей матричного материала, структурных связей субстанции наполнителей материала, структурных связей контактной их зоны. При этом потенциал сопротивления совокупности структурных связей постулируется как интегральная характеристика, определяемая количеством этих связей в единице массы материала и их качеством.

Во-вторых, эти принципы, парадигмы структурообразования отвечают условиям управления процессом диссипации, локализации и концентрации напряжений при формировании поля напряженно-деформированного состояния материала под влиянием внешних воздействий. Параметры поля напряжений и деформаций при прочих равных условиях оказывается производной пространственно-геометрических характеристик структуры - однородности размещения, площади поверхности раздела структурных составляющих в единице объема материала и зависят в общем случае от закономерностей проявления однородности-неоднородности структуры бетона.

В третьих, парадигмы формирования структуры бетонов соотносятся с возможностями влияния на развитие самого процесса его разрушения — на возможность зарождения, распространения и торможения процесса роста трещин в материале, поскольку бетон относится к типу хрупких конструкционных композитов.

Центральной, определяющей и наиболее очевидной являлась парадигма обеспечения повышения однородности и плотности бетона. Уже на заре развития научных знаний о бетоне эта парадигма связывалась с качественным перемешиванием, с формированием плотнейших упаковок систем сложения крупного и мелкого заполнителя и опиралась на закономерности механики зернистых сред (Г. Дересевич, И.И. Кандау-ров, В.Н. Москвин). Технологически плотнейшие упаковки реализуются как результат обоснования и назначения рационального гранулометрического состава фракций крупного и мелкого заполнителя в конгломератной структуре (Ю.М. Баженов, В.В. Белов, А.П. Прошин, Е.В. Королев). Важным технологическим фактором при этом оказывается характер и параметры внешнего силового воздействия на бетонную смесь при формовании в целях достижения наиболее высокой плотности бетона (Г.Я. Куннос).

Взаимосвязанной с проблемой плотнейших упаковок являлась проблема типа цементации структуры композита. Эта проблема состоит в оптимизации характеристик омоноличивания системы сложения зернистых включений связующим (матричным) веществом. Обобщенными, интегральными количественными оценками типа цементации (контактовой, пленочной, поровой, базальной в терминах петрологии) является, как известно, коэффициент раздвижки зерен заполнителей, определяемый соотношением объемов наполняющего и связующего вещества.

Дальнейшее развитие парадигмы повышения плотности структуры бетона состояло в переходе от задач управления плотностью на уровне макро- и мезоструктур к уровню микроструктур, и выразилось это в появлении концепции структуры цементного камня как своего рода микробетона (В.Н. Юнг), когда в качестве его заполнителя рассматриваются и принимаются непрореагировавшие зерна цемента и (или) специально вводимые в структуру зерна микронаполнителя, соразмерные с первыми. Основная структурная роль последних, как раз, и полагается состоящей в уплотнении системы твердеющего цемента.

На структурном уровне цементирующих веществ микробетона функцию уплотнения его структуры могут выполнять и специально вводимые ультрадисперсные (на один-два порядка более мелкие) частицы, например, микрокремнезема, которые кроме этой прямой функции начинают играть и физико-химические структурообразующие роли.

В целом, сегодня парадигма повышения плотности бетона посредством формирования упаковки систем зернистых включений (управление системой их сложения) находит свою технологическую реализацию на всех структурных уровня материала, последовательно переходя от макро-, к мезо-. микро, ультрамикроструктуре бетона.

В рамках повышения плотности бетона через оптимизацию упаковки твердофазо-вой зернистой составляющей, естественно, происходит уменьшение объема порового

пространства. Такое уменьшение существенно дополняется возможностями при снижении величины водоцементного отношения. Реализация последнего связана с двумя магистральными технологическими направлениями: одним из них является применение интенсивно уплотняемых жестких бетонных смесей (именно интенсивно, поскольку снижение величины водоцементного отношения сопровождается заметным ростом величин внутреннего трения, оцениваемого предельным напряжением сдвига и эффективной вязкостью бетонной смеси) (Б.Г. Скрамтаев, D. A. Abrams, J.Bolomey); другим более эффективным направлением является применение для получения высокоподвижных (и даже самоуплотняющихся систем) химических добавок пластифицирующего действия (снижающего внутреннее трение) с водоредуцирующим эффектом (Ю.М. Баженов, В.И. Калашников, В.Г. Батраков, С.С. Каприелов). В рамках первого из направлений технологическая реализация принципа «хорошо уплотнить» применительно к жестким бетонным смесям опиралась на разработанные сложные аппараты формования бетонных и железобетонных изделий. Такие аппараты и установки реали-зовывали механизмы уплотнения вибрацией, прессованием, вакуумированием, прокатом и многообразными их сочетаниями (Гусев Б.В.). Переход же ко второму направлению обусловливался развитием научного знания в рамках парадигмы, опирающейся на законы физико-химической механики дисперсных систем и коллоидной химии.

С точки зрения уменьшения объема порового пространства в системе новообразований может, в рамках обсуждаемой парадигмы повышения плотности бетона, рассматриваться и механизм заполнения межкристаллитного пространства дополнительно создаваемым объемом кристаллогидратов. Такой эффект обеспечивается применением расширяющихся цементов, самонапряженных бетонов, вяжущих с компенсированной усадкой (Т.В. Кузнецова, Э.Р. Пинус, А.Е. Шейнин, В.В. Михайлов, O.A. Звездин, C.B. Федосов, Г.В. Несветаев). Сформированное поровое пространство цементного бетона можно заполнить и продуктами альтернативной системы твердения, что лежит в основе идеи технологии гибридных бетонов и основных их разновидностей - бетонополимеров (Ю.М. Баженов, П.Г. Комохов, В.В. Бабков).

Однородность-неоднородность строения композита как фундаментальная матери-аловедческая категория предопределяет, как отмечалось, связь с условиями и закономерностями процессов диссипации энергии внешнего воздействия в структуре бетона, характером локализации и концентрации в ней напряжений. И именно это в определяющей мере влияет на потенциал сопротивления разрушению в совокупности с другими концептами и факторами синтеза прочности бетона. Важно подчеркнуть неоднозначность вопроса о роли в обеспечении прочности бетона его однородности-неоднородности. Эта противоречивая неоднозначность, определяемая законами механики разрушения материала, выдвигает задачу нахождения гармонии характеристик однородности-неоднородности структуры при ее синтезе и конструировании.

Третьей парадигмой формирования структур бетонов с регулируемой их прочностью и деформативностью следует считать управление минерало-морфологическим и дисперсным состоянием систем твердения (то есть матричной субстанции) посредством регулирования соотношения аморфной (скрытокристаллической) и кристаллической (пластинчато-призматической, волокнисто-игольчатой и др.) фаз новообразований. Это может быть результатом объективной эволюции и/или субъективного модифицирования химического, минералогического, дисперсного и морфологического состава цементного камня (А.Ф. Щуров, А.Е. Шейкин). Управление формированием структуры в рамках рассматриваемой парадигмы состоит, таким образом, в поиске рационального сочетания объемов кристаллической и аморфной фаз новообразований, сочетания, способного обеспечить высокую прочность материала и необходимую его трещиностойкость.

Определяющие принципы и технологические платформы конструирования структур бетонов и управления их сопротивлением разрушению

Концепты управления сопротивлением разрушению Парадигмы формирования структуры Принципы формирования аруктуры Технологические решения по управлению механизмами сгруктурообразования Решения для струкгурных групп бетонов Соответствие решения концепту управления сопротивлением разрушению

и III IV V

К1 - управление связями межлу структурными элеме1гтами твердой фазы; К2 - управление формированием поля напряжений в материале через однородность состава и структуры; КЗ - управление развитием и распространением трепшн посредством их торможения Управление обеспечением повышенной плотности Создание плотнейших упаковок системы сложения заполнителей Управление зерновым составом заполнителей + + + + + К1, К2

Применение микрона полните лей - -/+ + + + К1

Применение ультра дисперсных наполнителей - - + + + К1

Сокращение объема порового пространства Снижение величины водонементного О! ношения + + + + + К1

Применение специальных вяжущих (с компенсированной усадкой, расширяющихся, напрягающих) - - -/+ + + К1

Заполнение объема пор проду ктами альтернативной си» сгемы твердения - -/+ +/- + + К1

Управление формированием кристал-литной етрук-чуры новообразований в матрице Управление процессом кристаллизации новообразований Реализация вводимых структурных элементов как центров кристаллизации - - -/+ + + К1, К2

Управление минералогическим составом вяжущего - - -/+ + + К1, К2

Управление условиями твердения + + + К1.К2.КЗ

Применение модификаторов структуры, в т.ч. наномоди-ф и каюров - - -/+ + + К1,К2

Управление энергетическим состоянием системы ш>Н4чюраэова/шй Энергетическое зонирование структуры ультра-, и нано-диспсрсными структурными элементами - формирование «дробных» стр\кт\т> - -/+ + + + К1, К2

Применение химически активных минератьных компонентов - + + + К1, К2

Управление од-породпостыо-неодпородностью строения композита Формирование ар>ктуры материала с минимально возможным числом масштабных уровней струкплры Переход от макрозернистой структуры бетона к мелко-и микрозериисгой - - -/+ + + К2

Формирование однородног о размещения включений в матрице на каждом масштабном чровне С1 рчкг\ры бею на Выполнение условий квазиоднородноаи и кош руонтно-сти на каждом структурном уровне и качественное осуществление процесса перемешивания + + + + + К2

Управление качественными и количественными характеристиками контакт-ной зоны «матрица-включения» на каждом масштабном уровне структуры Применение включений с «чистой» поверхностью - -/+ + + + К1, К2

Формирование системы сложения и системы роста с учетом сходственных физико-механических характеристик и химической природы /+ -/+ + + К1, К2

Применение заполнителей с привитой поверхностью - -/+ + + + К1, К2

Применение включений с низкой разнородностью к матрице по показателям дсформативности - + + + + К2

Рассмотренные парадигмы формирования структуры бетонов логично сопрягаются с предложенными Е.М. Чернышовым тремя концептами управления сопротивлением разрушению материалов. Первый концепт учитывает, что потенциал сопротивления разрушению определяется количеством и качеством физических и физико-химических связей между омоноличивающим веществом и наполняющими материал частицами, а также внутренними связями частиц самого омоноличивающего вещества и самих наполняющих частиц. Второй из этих концептов отражает влияние меры однородности (неоднородности) конгломератной структуры на формирование в материале поля внутренних напряжений. Третий концепт отражает возможности управления процессом деформирования и разрушения материала в локализованных зонах трещинооб-разования. С учетом этого сформирована (табл. 1) обобщенная система, своего рода, матрица принципов, механизмов и технологических решений (технологических платформ) по конструированию и синтезу структур бетонов с задаваемым, в том числе и самым высоким уровнем сопротивления разрушению. Принципы формирования структуры и технологические решения учитывают широкий диапазон структур современных тяжелых цементных бетонов.

Структурные группы бетонов как объект исследований. Рассматривая проблему конструирования структур современных бетонов (см. табл. 1) можно исходить из их классификации по пределу прочности при сжатии, например, подразделив их на пять групп: I - группу рядовых бетонов (с прочностью до 40 МПа), имеющих самый массовый спрос и потребление на строительном рынке; II - группу бетонов повышенной прочности (40-80 МПа), широко применяемых в строительстве высотных зданий и сооружений; III - группу высокопрочных бетонов (80-120 МПа) целевого применения для конструкций зданий и сооружений повышенной ответственности и большого эксплуатационного ресурса; IV — группу особовысокопрочных бетонов (более 120 МПа) специального назначения; V - группу сверхвысокопрочных и высокотрещиностойких бетонов уникального назначения (табл. 2).

Если иметь в виду различие конструкции структур этих групп бетонов, то с полным основанием можно говорить и о пяти соответствующих «структурных группах» бетонов, идентифицируемых посредством оценки определяющих характеристик и параметров их строения (см. табл. 2). Обобщенными характеристиками структуры при таком подходе являются параметры квазиоднородности структуры на каждом ее масштабном уровне, тип цементации, интегральные качественные характеристики твердой фазы и порового пространства.

Структура современных высокотехнологичных бетонов существенно отличается от структуры традиционных бетонов более высокой дисперсностью зернистых компонентов, повышенными значениями площадей поверхности раздела фаз, существенно увеличенным числом физических и физико-химических контактов в единице объема материала, возросшей плотностью, преобладанием мелко- и скрытокристалли-ческих сростков новообразований.

Сопротивление разрушению бетонов как функция их структуры. Решение задачи выявления совокупности важнейших структурных факторов, определяющих потенциал сопротивления современных бетонов разрушению, опирается на достоверную количественную и качественную идентификацию их макро-, мезо, микроструктуры.

Бетоны, как конгломератные строительные композиты рассматриваются как многофазные, многокомпонентные, полиструктурные, полидисперсные, гетерогенные, детерминированные, стохастичные, дефектные системы. Бетоны понимаются как неоднородные системы с многоуровневой иерархически организованной конгломерат-

вой структурой, каждый масштабный уровень которой представляет собой двухкомпо-нентное образование из пространственно непрерывной матрицы и детерминированно-стохастически распределенных в ней дискретных включений.

Табл. 2.

Основные отличительные параметры состава и структуры современных цементных бетонов (структурные группы бетонов) | Характеристики структуры : Значения для групп бетонов

! 1 " 11 III IV у"" 1

Количество компонентов смеси Наибольшая крупность зернистых частиц, мм Коэффициент конгруэнтности зернистых частиц 4-5 ~То'-7<Г 5-и 4-5 20-40 " 5-2,5 6-7 ! 6-8 МО ! Т-5 20-5 ' 100-20 1 ' 8-10 Г-5 ~ 1 ШЙ0~ ~

Суммарное количество зернистых частиц в единице объема, штУм3 цо 2,2-Ю6 до2.Ы0'° до 1.2-1017 | до 1 0,8-1021 до 0.8-1021

Суммарное количество вносимой зернистыми частицами поверхностной энергии, кДж/м3 18-20 36-40 300-400 900- | 20001000 | 2500 I 20002500

Расход цемента на 1 м3 300400 400-500 \ 400-600 1 400-600

Величина водоцементного отношения (В/Ц) 0,4-0,5 0,35-0,45 0,3-0,4 ; 0,18-0,3 1 0,18-0,3

Критерий цементации, м3/м3 0,250,35 0.3-0,4 0.3-0.4 ; 0.5 0.7 0,5-0.7

Степень гидратации цемента в технологическом цикле, СГ, % 85-95 80-85 70-75 | 60-65 60-65

Средняя плотность связующего вещества, кг/м3 1650- ; 1800-1950 1800 ; 1950-2050 1 2300-2350 2300-2350

Объем твердой фазы связующего ве- ! 0,57- | 0,65-0,70 щества, м3/м3 : 0,65 | 0,70-0,75 | 0,75-0.79 1 0,75-0,79

Минералогический состав цемекти- ' С-Б-Н С-8-К(1) рующего вещества С) [ =40% : =40% С-Б-НШ | С-Э-НО) =55% | =65% С-в-НО) =65%

Объем микропор связующего веще- ] 0,35- | 0.30-0,35 ства, м'/м3 1 °-43 ! 0.25-0,30 0.21-0.25 0.21-0.25

Относительное содержание пор ради- 1 25-30 усом менее 20 нм, % : 25-30 35-40 1 >40 >40

Размерный масштаб включений принимается в качестве исходного идентификационного их параметра, так как с размерно-геометрическим признаком, являющимся, кстати, удобным экспресс-фиксируемым визуальным признаком, связаны другие идентификационные характеристики включений (табл. 3), предопределяющие проявление ими механических, физических и химических влияний на процессы структурообразо-вания и эффекты модифицирования структуры материалов. Объективным признаком двухкомпонентных образований каждого масштабного уровня является граница раздела, имеющая контактную поверхность и приграничный объем — контактную зону, характеризуемую механо-физико-химическим взаимодействием матрицы и включения.

Характеристики контактной зоны во многом определяют характер процессов диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений на границах раздела «матрица-включение». Баланс объемов матричного материала и материала включений ха-

растеризуется критерием цементации К* - отношением объемов связующего и наполняющего вещества. В связи с этим, важнейшими структурными факторами управления прочностью и трещиностойкостью бетонов являются удельные величины площадей поверхности /) и поверхностной энергии на границе раздела фаз (Э^л,). Величина площади поверхности раздела «матрица-включение» определяется в свою очередь дисперсностью включений ((/, /), функцией распределения их по размерам (/у</, ¡)) и степенью фрактальности их поверхности (.О;). С позиции достижения более однородного поля диссипации энергии внешнего воздействия и снижения величин концентрации напряжений предпочтительным является увеличение величин удельной площади поверхности границ раздела фаз на каждом структурном уровне бетона, что технологически реализуется повышением степени дисперсности включений

Табл. 3.

Характеристика вводимых в структуру бетона включений.

Наименование ! Размер, м ] Удельная пло- 1 Удельная по-включений | 1 щадь поверх- 1 верхностная ! ! ности, м2/кг | энергии, ■ | Д-*/кг Число частиц в единице их объема (в 1 м3) Число контактов частиц в единице их объема (в 1 м3)

Крупный за- . 5-10'3 - 4-Ю'1 \ До 0,5 ' До 0,6 полнитель | ! До МО4 До 8104

Мелкий запол- | 5-10ч-5-10° | До 24 , До 30 нитель | ! Микронапол- 1 5-10"6 - 210"4 | До 300 | До 400 нитель | До 5-106 До 1-Ю12 До 4107 До .'>•; О12

Микрокремне- 1 110"7 - 210'7 1 До 20 000 | До 18 000 зем До 61018 До 4-1019

Наноразмер- 210"4 - 410" До200000 1 До 250 ООО ные частицы ! : ! До 2-!О22 До МО23 1

С другой стороны, увеличение степени дисперсности включений и обусловленное этим повышение однородности поля напряжений приводит к изменению условий роста и распространения трещин в материале. Такое изменение характеризуется возникновением повреждений структуры при более высоком уровне нагрузки, сокращением длины траектории трещин, что в целом приводит к относительному снижению трещи-ностойкости бетона.

Увеличение степени дисперсности включений до определенной количественной величины приводит к качественному изменению типа распространения трещин и разрушения. Тип 1 характерен для тяжелых бегонов махрозернистой структуры, когда из-за высокой концентрации напряжений накопление повреждений фиксируется прежде всего в контактной зоне. При этом сеть микротрещин контактной зоны способствует траектории продвижения магистральной трещины по поверхности контакта матрицы и включения. Тип 2 характерен для высокопрочных бетонов мелко- и микрозернистой структуры. Более однородное поле диссипации энергии внешнего воздействия, низкая величина концентрации напряжений способствуют накоплению повреждений как в объеме матричного материала, так и в объеме включений. Такая ситуация приводит к траектории макротрещины не по границе раздела фаз, а по кратчайшему пути через зерна заполнителя, поскольку это является более выгодным с энергетической точки зрения.

Величина удельной поверхностной энергии также во многом определяется степенью дисперсности включений, при этом важным фактором является их химико-минералогический состав. Удельная поверхностная энергия микронаполнителя, ультра-, и нанодисперсных частиц является ключевой характеристикой в процессах гидролиза и гидратации клинкерных минералов портландцемента, синтеза новообразований цементирующих веществ.

Частицы крупного и мелкого заполнителя, а также в определенной мере микронаполнителя имеют большие габариты, относительно малые удельные площади поверхности и поверхностной энергии, их поведение можно описывать законами механики. Преобладающими силами являются силы трения. Частицы микронаполнителя при определенных условиях могут принимать участие в физико-химических превращениях. Ультрадисперсные частицы, например, частицы микрокремнезема - химически активны, поэтому их структурная роль определяется главным образом не законами механики, а законами термодинамики, физической и коллоидной химии. Принципиальное отличие наноразмерных частиц от ультрамикроразмерных состоит в возможности их участия в физико-химических превращениях по топохимическому механизму.

Структуру бетона можно рассматривать как совокупность объемов твердой фазы и порового пространства. Интегральной характеристикой соотношения объемов твердой фазы и порового пространства является величина средней плотности бетона (рв) или средней плотности цементного камня (рцк). Поровое пространство характеризуется объемом пор (К,) и функцией распределения пор по размерам (Р(<!„, /)). Поскольку поры как газофазовые включения различного масштаба являются концентраторами напряжений, для повышения прочности бетона необходимо снижать величину объема пор, при этом добиваясь преобладания микро- и нанопор.

Твердая фаза цементирующих веществ представляется морфологической разностью кристаллической (И««.) и аморфной (скрытокристаллической) (К,,«0) фаз. Кристаллическая фаза рассматривается как совокупность объемов кристаллических сростков пластинчато-призматической (К,«™) и волокнисто-игольчатой (И,,*,) морфологий. С точки зрения повышенных значений прочности, вообще говоря, преимущество имеет нано- и микрозернистая структура с заметным преобладанием кристаллической фазы. Однако в этом случае более существенным оказывается проявление противоречия, связанного с изменением типа разрушения бетона, выражающегося в том, что достигаемый рост прочности бетона не сопровождается аналогичным ростом предельной его растяжимости и трещиностойкости. Бетоны с преобладанием кристаллической фазы новообразований оказываются относительно более хрупкими и менее трещиностой-кими. Повышение трещиностойкости бетона связывается с обеспечением роста в твердеющей системе цементного камня значительного объема волокнисто-игольчатых кристаллических сростков с преобладанием контактов срастания и прорастания кристаллов (по Е.М. Чернышеву). По сути это является самоармированием (по Тимашеву В.В.) структуры бетона. В процессе самоармирования твердеющего цемента посредством синтеза нитевидных новообразований формируется микрокомпозиционный материал, армированный весьма совершенными, стойкими в среде цементного камня и высокопрочными длинномерными кристаллами.

Обобщенно потенциал сопротивления цементных бетонов разрушению можно представить в виде функции определяющих структурных факторов.

К = / (Кц,^|,5уд(,эуд|,р6,рцк,/(йпэ(),^гп,ицвк,уцва,1''цвк1),кцвкв) (1).

Общая модель раскрывайся частными эмпирическими моделями, раскрывающими закономерные связи соирошвлення разрушения бетона с его составом, структурой и состоянием. Именно раскрытие у казанных взаимосвязей дает основу синтеза и конструирования высокоэффективных структур бетонов (рис. 2).

1200

I '

¡110 2400

Среди** плотность Соотношение объеме» с»пгующгго

бетой», к//««' и неполнающего ее щестм

Рис. 2. Закономерные взаимосвязи показателей сопротивления разрушению цементных бетонов и параметров их структуры (для структурных групп 1-1У).

Рассмотренные закономерности позволяют сформулировать структурные критерии (табл. 4) перехода от типа разрушения I. когда сеть сформированных микротре-пшн контактной зоны способствует траектории продвижения магистральной трещины по поверхности контакта матрицы и включения к типу разрушения 2 . когда траектория макротрешины не по границе раздела фаз. а по кратчайшему пути через зерна заполнителя. Важно отметить, что при частичном выполнении описанных условий будет

наблюдаться тип промежуточного разрушения. В этом случае часть магистральной трещины будет продвигаться по поврежденной контактной зоне, а другая (другие ее фрагменты) по кратчайшему пути через зерна заполнителя.

Табл. 4.

Структурные условия разрушения тяжелого бетона.

Структурные условия разрушения тяжелого цементного бетона на заполнителях из плот-

ных горных пород

По типу 1 По типу 2

ps < 2400 кг/м3; ps > 2400 кг/м5;

Рм < 2000 кг/м3: р, >2000 кг/м3:

К* <0,3; ff« >0,3;

У, <2-1010. Nh > 2-10"1.

Методы комплексной оценки параметров структуры и показателей сопротивления разрушению цементных бетонов. Для комплексного раскрытия потенциала сопротивления разрушению бетонов, которое опирается более глубокое понимание явлений трещинообразования, требуется согласованное применение современных методик и прецизионных методов. В их ряду приоритетное место принадлежит методам полных равновесных диаграмм деформирования в координатах «сила-деформации» (ПРДД), оценки критического коэффициента интенсивности напряжений при нормальном отрыве, акустической эмиссии и особенно методу лазерной голографической интерферометрии (ЛГИ).

Для получения полных равновесных диаграмм деформирования бетонов использовалась установка, разработанная в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете (автор оригинальной установки Ушаков A.B.). На основании ПРДД возможно получение определяющих силовых и энергетических параметров механики разрушения, комплексно и многопараметрично описывающих весь процесс деформирования и разрушения материала.

Метод лазерной голографической интерферометрии (исследования выполнены в ООО «ЛКТ», Украина при помощи Кесарийского А.Г.) отлично дополняет деформационные, а также акустические методы анализа сопротивления действию механической нагрузки, являясь при этом бесконтактным, безынерционным; прямые и прецизионные измерения могут проводится одновременно по всей исследуемой поверхности деформирования образца материала любого размера и любой геометрической формы. Метод позволяет дать визуальную картину и представить качественную и количественную идентификацию параметров этого сложного процесса деформирования и разрушения.

Моделирование напряженно-деформированного состояния материала под нагрузкой предполагает выявление не только осредненных значений напряжений и деформаций бетона, но и всю сложную картину деформирования с локализованными зонами активной диссипации энергии. Актуальным моментом в проблеме изучения локализации зон активной диссипации энергии является экспериментальное определение таких зон с последующей качественной и количественной интерпретацией. Наиболее информативным и наглядным методом визуализации процесса диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений является метод лазерной голографической интре-ферометрии и разработанный в диссертации метод выделения локализованных зон диссипации энергии при деформировании бетонов.

Суть этого метода состоит в следующем. Для описанной на рис. 3 схемы нагру-жсния образцов бетонов в ходе эксперимента определяются параметры, непосредственно или косвенно характеризующие уровень сопротивления разрушению матери-

ала (например, прогиб, поверхностные деформации), с учетом величин которых рассчитываются показатели сопротивления разрушению 6с1 оно« и параметры юн активной диссипации энергии при трешннообразовании.

Для оценки локализованных зон активной диссипации эперсин в разработанной методике принят следующие начальные условия эксперимента Для бетона характерно хрупкое разрушение, то есть разрушение путем развития и распространения в ею структуре |рсщин. и петому методом, позволяющим наиболее точно характеризовать процесс деформирования к разрушения бетона с точки зрения анализа локализованных зон активной диссипации энергии при силовом воздействии, является метод испытания на изгиб.

Образцы требуется изготавливать двумя сериями, отличающимися отсутствием или наличием искусственной трещины (надреза), играющей роль концентратора напряжений.

В процессе испытаний бетона уровень разрушающей нагрузки на каждом шаге увеличивается на $-7 % (относительно разрушающей нагрузки) На каждом из шагов осуществляется контроль прогиба (индикатором часовою типа) и визуализированный контроль полей перемещений точек поясрхносш образца (фрошалыюй и нижней) метолом двойной экспозиции голограмм (схема Деннсюка Ю Н).

Расчетными характеристиками являются: относительные продольные и поперечные лс<|юрмации. начальный модуль упругости, коэффициент Пуассона (расчеты производились для стадии упругого деформирования образца), осрсдненные величины напряжении, удельный объем локализованной зоны активной диссипации энергии на стадии прелразрушения материала. Удельный объем количественно характеризует долю объема материала, вовлеченного в процесс разрушения. Чем больше этот относительный объем, тем. «легче» бетону при последующем иные нагрузки и деформирования адаптироваться к новым условиям диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений.

Качественная и количественная оценка параметров структуры получена на основе применения комплекса методов. Сре;(И этого комплекса можно выделить методы анхнииче-ского расчета структурных характеристик и физико-химические экспериментальные методы оценки парамет ров стру кту ры и свойств бетонов.

Метпликл аналитической оценки структуры бетонов базируется на пространс1всш!о-|сомстрической концепции строения бетонов, на закономерностях физико-химических процессов Iидролиза и тидратацнн клинкерных

Рис. 3. Выявление зон активной диссипации энергии.

L - длина образца, h высота образца: Ь - ширина образна: V - объем uGfMiiia: / - ба и испытаний: Р -нагрузка. /> - протяженность зоны локализации пссвдо-пластнчсских деформаций.

минералов портландцемента. Основные аналитические соотношения. необходимые для расчета параметров структуры, представлены в главе 5 диссертации

В работе для системной оценки хнмнко-минерилогаческого состава, площади поверхности и энергетического состояния твердой фазы, параметров поровот-о пространства применялась совокупность физико-химических н структурных методов анализа.

Химико-минералогический состав твердой флы характеризовался по совокупности данных рентгенофазового и дифференциально-термического анализов:.

Рснпеиофазовый анализ выполнялся на рентгеновском ARI. X'TRA, Дня ладь-нейшей обработки эксперимента применялся пакет прикладных программ По данным реитгенофазовою анализа определялась степень гилратацнн цемента по величине степени гидратации алитовой фазы, в качестве аналитической принимались линн C>S с межплоскостным расстоянием 1.77 А.

Дифференциально-термические анализы проводились на дериватофафе системы «Ф. Паулик. И. Пау.тик и Л. ">рлсй». Исследования микроструктуры струю уры бетонов осуществлялись в электронных микроскопах DM-100AK и TESCAN MIRA 3 LMU.

Удельная площадь поверхности твердой фазы S,, определялась метолом Пауэрса по емкости монослоя адсорбированных молекул воды.

Оценка размеров час ... менее 2 мм осуществлялась методом лазерной дифрапни на приборе Analysetie 22 NanoTec. имеющий диапазон измерений от 10 им до 2 мм

Экспериментальны« исследовании мкономерностей деформнропання и разрушения бетонов типичных структур. Определяющие закономерности н противоречии сопротивления разрушению бетонов I-IV-й структурных групп: основные обобщения. Полная равновесная диаграмма деформирования бетонов характеризует зависимость сопротивления образца деформированию R(f) вплоть до его полной фрагментации в точке ff,. в которой - 0(рис *). В начальный период деформирования зависимость R(f) имеет практически линейный характер, т.е. производная dRffltri/ ~ tg(a) ~ cornl вплоть до значения R(fn). где а - угол наклона касательной к кривой R(J) в начальной точке R(0) 0. Производная dR(f)/df на интервале изменения / от 0 до/„ представляет собой упругость или жесткость образца К.* = t!R(/)/df. При единичных размерах образца его жесткость равна модулю упругости Е материала. При дальнейшем увеличении деформаций/функция R(f) принимает нелинейный характер, что обусловлено увеличением размеров уже имеющихся микротрещин и образованием в наиболее растянутой зоне образца новых микротрещин. Увеличение числа микрогре-шин в бетоне как хрупком материале способствует распределению общего внешнего усилия на большее число структурных связей, напряженных до значений, близких к критическим. Поэтому необходимо максимально увеличивать локализованный объем зон активной диссипации энергии, вовлекать в процесс микротрещинообразовання как можно больший объем бетона, увеличивая тем самым удельную энергию его разрушения. В момент достижения фу нкцией R(ß значения Rtfn) = жесткость образца и модуль упругости материала в некоторой локальной области принимает нулевое значение. При дальнейшем увеличении деформаций /образца его жесткосп, принимает отрицательны: значения, т.е. К* » dR(f)/df ■ 0. Слияние мнкротрещин в одну магистральную трещину приводит х притоку высвободившейся упругой энергии к устью магистральной 1рещнны и значительной концентрации напряжений. Максимальное по абсолютной величине значение производной dR(ß/df на нисходящем участке диаграммы соответствует наиболее ншгеиенвному росту магистральной трещины и определяет. таким образом хру пкость образца Хм ш \dR(fl/df\. Значение хру нкости образца X.« определяется абсолютной величиной тангенса угла ß наклона касательной Ь к наиболее крутому участку нисходящей ветви дныраммы деформирования.

Рис. 4. Полна« равновесная диаграмма деформирования бетонов 1-й группы.

В полной равновесной диаграмме деформирования можно вылепить работу упругого деформирования И'., работу микрогреишмообразования Ж, работу махротрещи-иообразовання И-у,. Сумма работ И, и Иг. отнесенная к площади сечения образца, через которое развивается магистральная трещина, является удельной работой разрушения бетона С,

Совместное согласованное применение методов полных равновесных диаграмм деформирования, лазерной топографической интерферометрии, акустической эмиссии позволяет в деталях раскрыть процесс деформирования и разрушения бетона.

Обобщение рассмотренных закономерностей деформирования и разрушения бетонов приводит к следующим выводам:

I) последовательный переход по группам бетонов характерных структур от 1-й к 1У-й наряду с повышением предела прочности при сжатии обеспечивает рост начальною модуля упругости, увеличение полной работы разрушения, что обусловлено возрастанием как количества физико-химических связей в структуре материала, так и их «качеством»; при этом пределы прочности при растяжении, изгибе не имеют аналогичного роста, вязкость разрушения находится на практически постоянном уровне. Составляющие полной работы разрушения имеют принципиально различные удельные значения. Для бетонов Ш-й и особенно IV.fi группы характерно относительно малое накопление повреждений структуры к моменту последующего катастрофического разрушения (табл. 5);

2) переход от структур бетонов 1-й группы к структурам бетонов IV.fi группы «сдвигает» переход от линейной модели деформирования к нелинейной (переход от стадии упругого деформирования к стадии микротрещниообразования) в область более высоких напряжений, особенно это характерно для структур бетонов 1\'-группы, для которых не фиксируется формирование трещин вплоть до уровня напряжений а К. достигающих значений порядка 0,9 от разрушающей нагрузки:

3) абсолютные значения напряжений предела трещиттообразования. потери образном материала несущей способности (табл. 6 н 7) значительно вырастают, что определяется увеличением количества и ловышением качества структурных связей;

IlapaMcrpu процесса разрушения crpsкгурных групп цементных бетонов hj основе аиаига их.ошрамм .«формирования.

Параметры и характеристики процесса разрушения Значения параметров и характеристик для бетонов:

1-й группы ll-fl группы ПМ группы IV-й группы

Предел пропорциональности. 1С,, Н 230 285 ! 490 540

Деформация, соответствующая пределу пропорциональности. Гл, мкм 50 55 48 30

а. граду сы 78 79 84 87

Жесткость образца бетона. К<л МНУм 4.6 5.1 9,5 19.1

Прслс! прочности. Я™., Н 300 345 864 1080

Деформация, соответствующая пределу прочности. Г,, мкм 100 150 93 80

Граница устойчивого деформирования сечсннй, Г*, мкм 130 178 143 120

В. градусы 60 60 72 78

Хрупкость образца бетона. X*. МН/м 1.7 1,7 3.0 4,7

Удельная рабо:а упругого деформирования, W». Дж/м: 12.4 15.0 44,6 48

Удельная работа ми кротрс ценообразования, Дж/м2 12.5 33.8 10,4 34

Удельная работа макротрещинообразования. Дж/м- 50,1 55.3 211,2 198

Удельная энергия разрушения. Спс, Дж/м3 75 104.1 266.2 280

Доля упрутого деформирования, \У./(пс 0,165 0,144 0.167 0.171

Доля мнкротрещинообразовання. \SVOk 0.167 0,325 0,039 0,122

Доля макротрешиноооразовянн*. Уг'ц/Слс 0,668 0.531 0.794 0,707

Предел прочности при сжатии, МПа 33...38 4*..54 80 .90 | 120...130

Предел прочности на растяжение при изгибе, Я.., МПа 4,7...4.9 5.7...6.2 92 ...ЮЛ 10.5...11.2

Отношение Я.» /Ко, 0,13.. .0.14 0.11 ...0.12 0,1!...0.12 0,085...0.086

Отношение 1С» 0.32...0.37 0,28...0,32 0,50...0.55 0.37...0.40

Отношение 0,32...0.37 0.63..0.70 0,11...0.13 0.26...0,28

Отношение 1С, 1.31. ..1.51 1,02...1,15 2.34...2.64 1,52...1.65

Отношение Ок / ¡С» 1,97. ..2 Л 7 1,93...2.16 2.95. ..3.32 2.15...2,33

О1 ношение Ю«/Хс4 2.7 3.0 3.2 4.0

4) переход от крупноконгломератной к мелкоконгломератной структуре бетона IV-й группы предопределяет сушественное изменение ПРДД. Снижение неоднородности структуры снижает трещи mm он кость материла на закритнческой стадии деформирования: значения хрупкости образца достигают 4.7 МН/м. а удельная работа макротре-щннообразования оказывается меньше, чем у бетонов III ipyniibj и со.тав.ляет не более 200 Дж'м2;

5) рост показателей сопротивления разрушению бетон он 1-111 структурных групп объясняется заметным увеличением удельных объемов локализованных зон активной диссипации энергии (с 0.047 м'/м! до 0.125 mVm'), то есть способностью структуры материала перераспределять напряжения на большее количество его структурных связей (табл. 8);

6) для бетонов IV группы удельный объем области псевдоп ластических деформаций составляет всего 0.019 м'/м5 и оказывается меньше в 6.5 раз в сравнении с показателями для бетонов III группы, что и предопределяет их относительно более низкую трещиностойкость.

Табл 6.

Характеристика картин деформаций и неличин относительных иапр1жсний. соответствующих пределу трещннообразования (интерференинонная полоса соответствует _перемещениям около 300 им)

Мнтерфсрограмчы. отображающие момент образования первой трещины

Относительный уровень напряжений o/R. соответствующий з реле л V трещин»-образования_

При комплексном анализе характеристик сопротивления разруиинню рассматриваемых групп бетонов, как раз. и выявляется нарастающее противоречие между увеличением предела прочности при сжатии и относительным снижением трещннослойко-сти. Указанное противоречие наглядно иллюстрируется лепестковой диаграммой показателей сопротивления разрушения бетонов групп I-IV (рис. 5).

...0.74 R=IOO МПа)

0.K7...0.«

т|П11ТЦ1И^|дцдд|0Т|))|' '

^ШЩМГИ....... "

Длк ее нос I роения исиользовались попуски мыс данные о силовых и энергетических характеристиках сопротивления разрушению - модуле у пру I ости. предельной растяжимое 1Н, полной энергии разрушения и ее составляющих (раГмчс упругого де-

Характеристика картин деформаций и величин относительных напряжений, соогвет-ствующих моменту потери бетоном образца несущей способности

Групп

Интерферо!раммы. отооражающис момент потери бе-1 оном образца несущей способности

Относнте.и.най уровень напряжений <т>"Н

ганя

(.90. .0.95

.93. .0.%

0.94... 1.0 (интерфе-ротрамма нижней поверхности образца)

Параметры поля диссипации энергии бетонов (испытание на ¡¡ииб)

Параметры тюля .цксипвцнн энергии бетонов

Табл.X

Наименование параметра

1-й группы

II-Л группы

Картина юны локализации псевдо-пластичсских деформаций под нагрузкой

Уасльиый объем материала я зктня-иой зоне локялизации^^__

0 047

0.056

Картина юны локализации псевдо-плаегаческих деформаций под нагрузкой

111-и I руины

±

1У-Й группы

Улельный объем матерна.и я актна-ной зоне локализации (К',) _

0.12$

0.019

формирования, работе микро- и макро1рсщииообразоваиия), критическом коэффициенте интенсивности напряжений при нормальном отрыве, удельном объеме локализованных зон активной диссипации энергии.

При построении лепестковой диаграммы масштабы предела прочности при сжатии *»«•. прн изгибе вязкости разрушения Ки. полной работы разрушения вн. модуля упругости Е, предельной растяжимости * и коэффициента Пуассона V выбраны таковыми, чтобы для бетонов 1-й группы сформировался равносторонний многоу гольник. Для остальных групп бетонов с изменяющимися структу рой в свойствами сопротивления разрушения откладывались в том же масштабе, в результате чего наблюдалось «'искажение, лепестковых диаграмм, наглядно раскрывающее нарастающее противоречие между увеличением прочности и относительным снижением трещиностой-кости (см. рис. 5, табл 9).

Рис. 5. Диаграммы показателей сопротивления разрушению !-1\' групп бетонов.

Изменение характера деформирования и разрушения бетонов во многом предопределяет и эффективность его работы по критериям его сопротивления разру шения. Такая >ффскгивность оценивалась по следующим удельным показателям (табл. 10): * Я.УЯеж - отношение пределов прочности прн изгибе к пределам прочности при сжатии;

Я.^/кгЦ - удельная прочность при сжатии, отнесенная к расходу цемента. МПа/кг; ^ Н'щ/С/доля работы микротрещинпобраэования в общей работе разрушения; ^ К1</кг 11- удельная вязкость разрушения, отнесенная к расходу цемента. кН/мм/кг, ^ У/У - удельный объем материала в зоне локализации псевдопластнческих деформаций;

С/Укг • удельная работа разрушения, отнесенная к расходу цемента, Дж/м2.

Для расчета эффективности структур использовались экспериментально полученные характеристики деформирования и разрушения бетонов групп 1-4' для следующих составов (табл. 11).

Анализ полученных данных (см. табл. 10) свидетельствует о том. что бетоны IV-й группы в целом являются недостаточно эффективными, главным образом по причине своей относительно низкой трещииостойкости.

Показатели сопротивления разру шению бетонов

Свойства и характеристики процесса разрушения Значения свойств и характеристик для бетонов

1-й группы 11-й группы 111-й группы 1У-й группы

Предел прочности при сжатии. МПа 33.. .3« 48...54 80...90 120...130

Предел прочности при изгибе. МПа 4.7...4.9 5.7...6.2 9.2...10.1 10.5...11.2

Модуль упругости. МПа 10» 32...35 39...41 43...46 48...52

Вязкость разрушения. ММ/м" 0.85...0.95 1.0...1.1 1.0...1.1 0,7...0.8

Коэффициент Пуассона 0.20...0.21 0.18...0.19 0.16...0,17 0,14 .0.15

Предельная растяжимость, мм/м 1,1...1.2 1.2...1.3 0.85...0.9 0,7...0.8

Удельная энергия разрушения. Дж.'м2 75 105 270 280

Табл. 10.

Показатели эффективности стру ктур бетонов групп 1-1\' по критериям сопротнв-ления разрушению_

Удельные показатели соггро-гив.гения разрушению Значения показателей эффективности для бетонов:

1-й группы 11-й группы 111-й группы 1У-й гру ппы

0,13. „0.14 0.11...0.12 0.09...0.11 0.07...0.09

Лсш/кгЦ 0.10...0.11 0.11...0.12 0.15..0.16 0.21...0.28

0.16 0.32 0.11 0.12

КьЛи // 2.5...2.6 2.4...2.5 2.2...2.4 1.6...2.0

У/У 0.05 0.06 0.12 0.02

СьЛи 0.21 0.21 0.53 0.46

Табл. II.

Составы бетонов групп 1-У.

Наименование компонента Расход компонентов для бетонов структурных |рушг. кг/м1

1 П III IV V

ПЦМ500 350-400 410-440 470-520 480-560 480-560

Песок кварцевый молотый . 50-55 250-260 360-370 360-370

Песок кварцевый 630-650 650-670 670-700 1400-1450 1450-1500

Щебень гранитный фр 5-20 мм 10601100 10001030 9801020 • •

Микро кремнезем . - 40-511 40-50 40-50

Вода 170-190 170-190 170-180 150-170 150-170

Гипсрпластификатор. % от массы цемента 0.5 0.6-0.7 0.9-1.0 1.0-1.1 1.0-1.1

Суммарный объем дисперсных армирующих элементов - - - - 2-6%

Поэтому и переход к У-й структурной группе бетонов диктуется слабой способностью структуры бетонов 1У-Й группы тормозить процесс роста и распространения трещин, катастрофическим характером разрушения, малой величиной предельной растяжимости.

Определяющие принципы конструирования структур и технологически« условия получения цементных бетонов повышенной трешнностойкости. Обоснование параметров структуры бетонов У-й группы исходит из обшей концепции и парадигм формирования структур высокопрочных бетонов (см. табл. I). Все принципы и механизмы струкгурообразования бетонов \'-й группы являются логичным развитием уже предложенных для бетонов 1\'-й гру ппы. Главным же отличием является реализация положений третьего концепта управления сопротивлением разрушения - создание условий для торможения процессов роста, развития н распространения трещин в теле материала (табл. 12).

Такой переход требует создания условий торможения грещин в структуре материала. принципиального изменения условий диссипации энергии при деформировании. условий локализации и концентрации напряжений.

Важно отметить, что каждый из рассматриваемых принципов повышения трешнностойкости может вносить различный вклад в изменение основных показателей сопротивления бетонов разрушению.

Задача повышения трсщиностойкостн бетонов должна решаться не только применительно к структурам бетонов 1\'-й группы (хотя это и наиболее актуально), но и применительно ко всем структу рным |руппам.

При этом на основе технико-экономического анализа рецептуриснтехнологических факторов, обеспечивающих повышение трещииостойкости бетонов, в диссертации (глава 5) обоснованы и предложены наиболее рациональные технологические решения для каждой из рассматриваемых структурных групп бетонов.

Из множества вариаций принципов повышения трешнностойкости наибольший вклад может дать фактор торможения трещин структурными элементами материала, который и обеспечивает не только рост работы микротрешинообразования и макротре-шинообразования. но и принципиальное изменение условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений при деформировании и разрушении материала При этом наиболее эффективным приемом считается поуровиевое и многоуровневое дисперсное армирование структуры бетона.

11отенциал сопротивления разрушения дисперсно армированного материала возрастает за счет новых слагаемых работы разрушения - работы деформирования и разрыва армирующих элементов, работы на нарушение контакта с матрицей и работы на выдергиваиис армирующих элементов из хрупкой матрицы (рис. 6).

Гмхшк р*'ч>Ш |МЦ»Уштат ИЛ |-«оч структурном уроде:

11 .кфорчгфо&мпк штерши-ЛШ*

2) асфоуюрраввис лрмирумиих 'кчеятса • .1С,

)) шгупктк тш! по

шокрхяоеш трмшш рамем

«ннрвш-армцпиятк тхиекш- - Ув» 4) М1К|Чи»Я1|К фМ|ЦПКЧШ|\ отчетов икшршш -(V 51 ра цш арчирукчипх • кчеитоа

•иРис. 6. Слагаемые работы разрушения

»шин ¿1 ммсуштс ^пацимшп

Изменение условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений в структуре бетона и управление формированием структуры бетона по критериям тор_можения процессов роста и развития в ней трещин_

Структурные факторы повышения трещино-стойкости бетонов Решаемая задача конструирования структуры Значение для показателей сопротивления разрушению

Снижение величин концентрации напряжений в структуре бетона Обеспечение формирования трещин при более высоком уровне относительных напряжений о/К + вязкость разрушения - предельная растяжимость + работа разрушения +++ предел прочности при сжатии ++ начальный модуль упругости

Оптимизация системы сложения зернистых включений различных масштабных уровней структуры Удлинение траектории трещин, увеличение работы на формирование трещин в единице объема материала ++ вязкость разрушения -Н-работа разрушения + предельная растяжимость + предел прочности при сжатии

Повышение удельного объема твердой фазы и сокращение удельного объема перового пространства Увеличение работы на тре-щинообразование за счет роста количества и величин сил структурных связей в матричном материале и в контактной зоне ++ предел прочности при растяжении и изгибе + работа разрушения + вязкость разрушения + предельная растяжимость +++ предел прочности при сжатии ++ начальный модуль упругости

Повышение степени закристаллизованно-сти цементирующего вещества Увеличение работы на тре-щиносбразование за счет роста величин сил структурных связей в матричном материале и в контактной зоне + предел прочности при растяжении и изгибе + работа разрушения -/'+ вязхость разрушения - предельная растяжимость +++ предел прочности при сжатии ++ начальный модуль упругости

Формирование повышенного количества скрыто кристаллических новообразований в матрице Увеличение работы на продвижение трещин за счет новых границ раздела кристаллической и аморфной (скрытокристалличе-ской фаз) + предел прочности при растяжении и изгибе + работа разрушения + вязкость разрушения + предельная растяжимость +/- предел прочности при сжатии +/- начальный модуль упругости

Введение зернистых включений с низким модулем деформатив-ности Блокирование роста трещин + предел прочности при растяжении и изгибе + работа разрушения + вязкость разрушения + предельная растяжимость +/- предел прочности при сжатии +/- начальный модуль упругости

Поуровневое и многоуровневое дисперсное армирование структуры Переход ог хрупкого типа разрушения к вязко-пластическому; обеспечение роста работы на разрыв армирующих элементов, нарушение их контакта с матрицей, выдергивание из матричного материала +++ работа разрушения +++ предел прочности при растяжении и изгибе +++ вязкость разрушения +++ предельная растяжимость + предел прочности при сжатии + начальный модуль упругости

Аналитическое рассмотрение энергетического баланса процесса деформирования и разрушения бетонов с многоуровневым дисперсным армированием позволило

определить потенциал сопротивления материала разрушения:

2 • (X К, ■ г* ) +

__^___✓ ^ , (2)

потенциал сопротивления структуры работа «формирования и разрутления

армированного мэтериала разрушению

и получить соотношение для расчета напряжения в материале при растяжении Окрнт, то есть величины, при превышении которой рост трещин в материале становится энергетически возможным процессом.

При традиционном дисперсном армировании решается задача торможения трещин только одного структурного уровня материала, в то время как иерархия трещинообразования и совокупности трещин свидетельствуют о целесообразности и необходимости многоуровневого дисперсного армирования. Идея многоуровневого дисперсного армирования диктуется фрактальной иерархией процесса трещинообразования и присутствием в материале трещин от ультрамикро- до макроразмерного масштаба. Многоурозневое дисперсное армирование понимается как целенаправленное введение в конструкционный материал разномасштабных армирующих элементов на нескольких его структурных уровнях, призванное обеспечить принципиальное изменение условий и энергетики развития трещин в структуре материала.

Многоуровневое армирование исходит из принципов: 1) конгруэнтности (соразмерности) армирующих элементов параметрам «блокируемых» трещин; 2) соответствия объемной доли армирующих элементов «концентрации» дефектов (трещин) определенного уровня структуры — сростка кристаллов, цементирующего вещества (новообразований), цементного микробетона, мелкозернистого бетона; 3) субстанционального соответствия материала армирующих элементов характеристикам матричного материала.

Опираясь на вышеописанные принципы, в бетоне, работающем в конструкции, обоснованно выделены следующие иерархические уровни трещинообразования и армирования:

1) уровень крупнозернистого бетона, в котором матрицей является мелкозернистый бетон, а в качестве блокирующих макротрещины армирующих элементов используется традиционная рабочая арматура, размещаемая в соответствующих зонах строительной конструкции;

2) уровень мелкозернистого бетона, в котором в качестве матрицы выступает цементный микробетон. Дисперсное армирование материала на этом структурном уровне с учетом присущих ему трещин размером 0,4...0,9 мм обеспечивается введением армирующих элементов длиной 1..5 см и диаметром 0,1..0,8 мм, для чего могут быть применены стальные, минеральные, углеродные и другие виды волокон соответствующей геометрии;

3) уровень цементного микробетона. Матрицей в нем является цементирующее вещество из системы частиц новообразований, остаточных зерен цемента, зерен микронаполнителя, пор. Армирование на уровне цементного микробетона с учетом присущих ему микротрещин размером 40...400 мкм возможно осуществлять волокнами длиной 1 ..5 мм и диаметром 10..50 мкм. В данном случае могут быть пригодны различные виды стекловолокна, асбестовые и другие минеральные волокна;

4) уровень цементирующего вещества, структура которого представлена скры-токристаллической и кристаллической морфологическими разностями новообразова-

иий и микропорами. Трещины и поры moot перекрываться наиоразмерными удлиненными по форме кристаллогидратами новообразований с поперечником 50...200 им и длиной до 510* нм.

Наиболее эффективными для армирования материала на уровне цементирующего вещества могут являться предварительно выращенные игольчатые кристаллы гипса (CaSOWI 1Ю). тпгрингнта (3Cat>AkOj • ЭСаОч • 32Н»0). гидросиликатов кальция (ксоиотлнт. фошалп. гидрат трехкальциевого силиката и др.) которые имеют нитевидный габитус, высокие значения прочности на разрыв, а также максимальное сцепление с матрицей и высокую коррозионную стойкость в среде цементного камня 5) уровень кристаллических сростков с учетом ирисущнх ему дефектов структу ры стоит армировать наноразмернымн волокнами углерода, хризотила, имеющими размер в поперечнике 5...20 нм н длину до 500...700 нм.

Практическая реализация приема многоуровневого дисперсного армирования связывается с оптимизацией объемною содержания всех видов микроарматуры по критерию трсщнностойкост и.

В диссертации (глава 5) экспериментально доказана возможности существенного повышения трсщиностойкости как рядового мелкозернистого бетона, так и сверхвысокопрочного бетона при многоуровневом дисперсном армировании егс структу ры.

В экспериментальных исследованиях сояротивлення разрушению анализ характеристик деформирования оценивался в сравнении: для высокопрочных бетонов IV-й группы без дисперсного армирования; бетонов V-й группы с индивидуальным армированием структуры на макромасилабном структурном уровне (армирование фиброй из стального лисп. 40x0.8 мм; объемная доля 2,5 а 4%): с индивидуальным армированием структуры на мсзомасштабном структурном уровне (армирование базальтовой фифой БС 16-13: объемная доля 4*/«): с многоуровневым дисперсным армированием (фиброй из стального листа 40x0.8 мм: базальтовой ®фиброй БС 16-13; углеродным

волокном).

Рис. 7. Полные равновесные диаграммы дефор- Полные равновесные диа-

мирования бетонов структурных групп I-V. граммы деформирования сверх-

высокопрочных бетонов с многоуровневым дисперсным армированием (бетоны V-й 1руппы) заметно отличаются от таковых для нсармировапных беюиов (рис 7).

Высокотрсщиностойкис бетоны V-й ipy ппы с многоуровневым дисперсным армированием структуры имею! существенно отличающийся механизм разрушения (табл.

13-14. рис. 8): наблюдаете* миогоцикличнос перераспределение напряжений с матрицы на армирукчцие волокна с у частием контактной зоны как на стадии микротреши-ноообразовання. так и на стадии макротрещинообразоваиия; формируется не одна магистральная трещина, а сеть мезо- и микротрещии: начало образовани« такой сети приходится на у ровень напряжений а/Я - 0.40...0.43: область предразрушения не ограничивается узкой локализованной зоной в месте наибольших деформаций, а распространяется практически на весь деформируемый объем материала между опор.

Табл. 13.

11оказателн сопротивления разрушения

Свойства и характеристики процесса разрушения Значения свойств и характеристик для бетонов:

IV-й группы V-й группы

Предел прочности при сжатии. 1С«. МНа 125...140 125...140

Предел прочности на растяжение при изгибе. R„„. МПа 10,5...11.5 35...40

Модуль упругости. F.. Mlla 101 46...50 46...50

Вязкость разрушения. Кц. МПм1; 0.9... 1.1 2.8 3.2

Коэффициент Пуассона, v 0.15...0.16 0.19..0.21

Предельная растяжимость, с. ммм 0.7...0.8 8.4 .8.6

Удельная энергия разрушения. Ок. Лж/м- 280 4600

В итоге достижение предела прочности не является моментом яотсри целостности объема материала и не сопровождается его фрагментацией, поскольку совокупность армиру ющих элементов позволяет сохранится материалу как единому целому . При дальнейшем деформировании происходит расширение уже образовавшихся трещин. на что затрачивается дополнительная работа. Применительно к таким высокотре-щиностойким бетонам можно говорить о принципиально ином типе разру шения и о переходе от хрупкого типа разрушения к псевдопластическому'.

Табл. 14.

Параметры ноля диссинацни >nepiин бетонов У'-Й структурной группы

Наименование параметра Параметры ноля диссипации энергии бетонов

Образцы без искусственной трещины Образцы с искусственной трещиной

И нтерферограммы деформирования образца при относительном уровне напряжений о/Я*0.9 1; ^WfpeBs"', ■ ,i к ЮЯИР^УД Ш 1 \\\\\ц _«Я_ LWUM

Картина зоны .локализации псевдонласти-ческих деформаций под нагрузкой (модель) Л

AJ ""Л А А

Удельный объем материала в активной VIне локализации (1 "г) 0JI 0,16

Такой переход обусловлен существенным изменением I еомегрнн локализованных зон диссипации энергии при разрушении (табл. 13-14. рис. 8).

0

1 0.8 х

1 0.6

а.

2 0.4 *

Г

* О

гр.тьнои »рсим

остраиеиинтретии в 10 начала «армирован! юй трещин!!

Рост и I матерна маги

Накоплен;■!• повреждении в матери ледо предала I рещи ноо< ратоь..ния

Группы бетонов

Рнс.8. Характеристика процессов накопления повреждений, микро- и макротрещино-образования для ¡-V групп бетонов.

Переход к структурам бетонов У-й группы обеспечивает значительный рост всех показателей сопротивления разрушения (см. табл. 13-14): при сопоставимом уровне показателей прочности при сжатии (на уровне 140 МПа) может быть обеспечен рост трешиностойкости (вязкости разрушения) в три-четыре раза, предельной растяжимости - на порядок, а полной работы разрушения - более чем в 30 раз. И -это все является следствием изменения условий диссипации энергии внешнего воздействия в целенаправленно сконструированной структуре композкта.

Сопротивление разрушению и трсшиностойкость бетонов в условиях температурного стимулирования развития структуры их цементной матрицы. Реализация потенциала высокопрочных бетонов в строительных конструкциях, мера изменения показателей свойств при эксплуатации, стойкости и долговечности зависит от их состава, структуры и состояния, полученного в технологическом цикле. Изменение напряженно-деформированного состояния и свойств материала в результате процессов эволюции состояния его структуры наряду с последствиями эксплуатационных воздействий предопределяет в совокупности поведение бетона в эксплуатационном цикле. Количественные выражения этого совокупного результата будут зависеть от интенсивности вещественного и энергетического обмена материала с эксплуатационной средой, которые могут' рс!улировагься технологическими и конструктивными средствами. В связи с указанным важным яв;иется рассмотрение проблем сохранения достигаемых в технологии высоких значений прочностных свойств современных бетонов при их эксплуатации. Для этого поставлены экспериментальные исследования, в которых осуществлено моделирование изменений материала в эксплуатационном цикле в рамках подхода к нему как к закрытой термодинамической системе. Образцы надежно изолировались от окружающей среды несколькими слоями полиэтилена и помещалась в камеру, в которой длительное время поддерживалась температура 55±5°С. Полагалось. что такой уровень л емнературы соответствует максимальной тем] 1сралуре. открытой поверхности конструкций, находящейся пол прямым солнечным воздействием. При этом учитывалось, что данные у словия являются наиболее значимыми для интеи-

сификации процессов гидратации цемента и эволюции его структуры в бетоне. По данным В.В. Помазкова при указанных температурах гидратация цемента протекает в режиме с благоприятным соотношением кинетической и диффузионной составляющих процесса, обеспечивая наиболее высокую его скорость и полноту превращений цемента в гидраты и кристаллогидраты новой фазы. В экспериментах длительностью более 500 суток температурного воздействия использовались серии образцов бетона каждой из рассматриваемых пяти структурных групп, прошедших предварительно твердение в нормальных условиях в течение 28 суток. В каждой серии часть образцов испы-тывалась для определения начальных (на момент окончания технологического цикла и начала эксплуатационного цикла) и конечных (для сроков 180 и 500 суток температурного воздействия) значений пределов прочности при изгибе и сжатии, вязкости разрушения и других силовых и энергетических характеристик сопротивления разрушению.

Обоснованно предполагать, что современные высокопрочные бетоны, отличающиеся, как правило, низкой степенью гидратации, малой закристаллизованностью новообразований, потенциально должны проявлять и большую изменяемость структуры во времени, особенно при длительных температурных воздействиях. Однако, как показали выполненные исследования, эти предположения не подтверждаются.

Для бетонов 1-й и П-й структурных групп, не относящихся к высокоплотным и высокопрочным разновидностям, наблюдается заметный рост степени гидратации (до 90% и более) при одновременном снижении количества рентгеноаморфной фазы, росте количества низкоосновных гидросиликатов кальция, а в целом - повышение закри-стализованности системы (особенно при продолжительности температурного воздействия 500 суток). Наблюдаемые изменения структуры влияют на параметры диаграмм деформирования и показатели сопротивления разрушения данных бетонов. Установлено, что имеет место увеличение предела прочности, предела пропорциональности. Соответствующие этим пределам величины деформаций уменьшались, чем и обусловлен рост утла наклона «упругого» участка и соответственно рост жесткости образца. При этом полная работа разрушения Gtc оказывается сопоставимой с начальными ее значениями, однако ее составляющие (работа упругого деформирования, работа микро- и макротрещинообразования) «складываются» по-разному. Удельная работа деформирования при микротрещинообразовании W„ несколько снижается, а удельная работа деформирования при макротрещинообразовании Wpt (нисходящая ветвь диаграммы) напротив, возрастает.

Для бетонов III-V структурных групп не наблюдается принципиальных отличий в структуре после экспериментального моделирования длительного температурного воздействия. Отсутствие сколь-нибудь заметного роста степени гидратации, перекристаллизации новообразований связывается нами с малыми значениями объема свободного (порового) пространства, необходимого для формирования и развития кристаллогидратов. Тем не менее, имеет место рост показателей сопротивления разрушению при условии испытаний в сухом, либо в естественно влажном состоянии к 180 суткам температурного воздействия. К 500-ам суткам испытаний такой рост составляет 1,3... 1,5 раза практически по всем оцениваемым показателям, исключая трещиностойкость. Повышение доли работы упругого деформирования Wu/Gic (с 0,16 до 0,18 для бетонов Ш-й группы и с 0,14 до 0,18 для бетонов IV-й группы) при росте полной работы деформирования G/c в 1,1-1,2 раза свидетельствует о росте модуля упругости бетона. А снижение доли работы деформирования при микротещинообразовании W^Gic (с 0,08 до

0,07 для бетонов Ш-й группы и с 0,09 до 0,07 для бетонов IV-й группы) говорит о некотором (на 10-15 %) снижении трещиностойкости в условиях малого накопления повреждений структуры перед последующим катастрофическим разрушением бетона.

Сопротивление разрушению и трещиноетойкостъ бетонов при изменении влажпостиого состояния их структуры. Для учета влажностного фактора в экспериментальных исследованиях образцы бетонов типичных структурных групп испытыва-лись при различном влажностном их состоянии (в диапазоне от высушенного до водо-насьпценного). Установлено, что для бетонов Ш-й и IV-й структурных групп фиксируется заметное и существенное снижение прочности при увлажнении. Так, для высокопрочных бетонов IV-й структурной группы мелко- и микроконгломератной структуры при ее предельном водонасыщении наблюдается снижение предела прочности на 10-15 %, а суммарной удельной работы разрушения - более чем на 30% (на основе анализа данных, полученных по методу полных равновесных диаграмм деформирования). Удельная работа микротрещинообразования, энергетически характеризующая процесс накопления микроповреждений, снижается при этом в 3-3,5 раза. Такие изменения объясняются действием эффекта Ребиндера.

Бетоны V-й структурной группы с многоуровневым дисперсным армированием практически не меняют уровень сопротивления разрушению в водонасыщенном состоянии: псевдопластический тип разрушения, диссипация энергии внешнего воздействия на весь объем структурных связей, структурные условия торможения трещин предопределяют их высокую эффективность.

Вследствие особенностей своего строения, современные высокотехнологичные бетоны могут быть потенциально более активными по отношению к влажностным воздействиям среды, что может заметно повлиять на эксплуатационный ресурс строительных конструкций.

Прикладные решения в технологии высокопрочных цементных бетонов

нашли широкое внедрение. Применительно к структурам бетонов V-й группы разработаны «Технологические решения изготовления панелей несъемной сталефибробетон-ной опалубки для применения ее при строительстве основных зданий АЭС нового поколения ВВЭР-ТОИ», которые применены при проектировании технологических линий на строительно-монтажных базах АЭС «Аккую» (Турция), Курской АЭС-2, АЭС «Руппур» (Бангладеш) (Заказчик ЗАО «Институт «Оргэнергострой» г. Москва).

Опираясь на концепцию конструирования структур бетонов П-й и Ш-й структурных групп обоснованы общие подходы к применению высокопрочных бетонов при строительстве АЭС ВВЭР-ТОИ, которые внедрены при разработке Карты Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России «Создание Типового Проекта оптимизированного информатизированного энергоблока технологии ВВЭР (ВВЭР ТОЙ)», темы 5.2. «Определение перечня современных инновационных технологий проектирования и сооружения АЭС и принятие решения об их применении в Проекте» (Заказчик «ОАО «ВНИИАЭС г. Москва). При разработке проектов производства работ на особо опасных и технических сложных объектах Новов-ронежской АЭС-2, Лениградской АЭС-2, Балтийской АЭС, Белорусской АЭС внедрены Технические задания на подбор бетонных смесей заданного качества и основные требования к выполнению бетонных работ; масштаб внедрения - более 150 проектов производства работ (Заказчик ЗАО «Институт «Оргэнергострой» г. Москва).

Применительно к структурам бетонов 1-й структурной группы решены прикладные задачи повышения их эффективности. Разработаны и внедрены в производство (выпущена партия 1000 м3) составы и технология получения высокопрочных бетонов В40-

В45 с использованием сырьевых материалов рядового и низкого качества (портландцемента М400; песка кварцевого с М«=2.2, с содержанием илистых и глинистых частиц порядка 8% и насыпной плотностью 1095 кг/м3) (Заказчик ООО «Коттедж-Строй» г. Россошь Воронежской области). Разработана технология изготовления высокопрочного серпентинитового бетона сухой защиты реакторного здания Нововоронежской ЛЭС-2 в составе проекта производства работ (Заказчик ЗАО ((Институт «Оргэнерго-строй» г. Москва).

ОСНОВНЫЕ выводы

1. Формирование напряженно-деформированного состояния и проявление конструкционного потенциала материала является отражением кинетических процессов диссипации энергии внешнего силового воздействия по его структурным связям, локализации и концентрации в них напряжений. Условия диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений предопределяются параметрами структуры бетонов на всех масштабных уровнях иерархического строения их твердой фазы и порового пространства.

2. На основе анализа развития и эволюции научно-инженерных подходов к струк-турообразованию цементных бетонов обозначены архаическая, механо-физическая, физико-химическая, нанотехнологическая технологические платформы, и соответственно выделены обобщенные парадигмы формирования их структур, обеспечивающие закономерно повышающийся уровень сопротивления материала разрушению посредством целенаправленного изменения условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений в структуре цементных бетонов. Парадигмы соотносятся с управлением структурой массы твердой фазы в объеме бетона, ее средней плотностью, с управлением балансом аморфной и кристаллической фаз в составе новообразований, с управлением неоднородностью-однородностью строения бетона на каждом его структурном уровне.

3. С позиций механики деформирования и разрушения цементных бетонов как структурированных систем обоснованы структурные факторы управления их сопротивлением разрушению. Основными из них являются химико-минералогический и дисперсный состав включений, площадь поверхности раздела «матрица-включение» каждого структурного уровня, критерий цементации, объем пор и распределение их по размерам, баланс аморфной и кристаллической фаз новообразований, минералогический и морфологический состав цементирующих веществ.

4. Для введенных и изученных пяти групп бетонов, различающихся их структурой (по размеру зерен заполнителей: от крупно- до мелко- и микрозернистой: по критерию цементации (соотношению объемов матрицы и включений): от 0,25-0.3 до 0.5-0,6; по суммарному расчетному количеству вводимых в структуру частиц: от 106 до 102', по степени гидратации цемента на момент завершения технологического цикла: от 60 до 90%) и сопротивлением разрушению (от 40 до 140 МПа по прочности при сжатии), охарактеризован их конструкционный потенциал и установлены принципиальные особенности деформирования. На основе анализа полученных закономерных связей сопротивления разрушению и рассмотренных структурных факторов выявлены критериальные условия разрушения бетона как по типу 1. когда сеть сформированных микротрещин контактной зоны способствует траектории продвижения магистральной трещины по поверхности контакта матрицы и включения, так и по типу 2, когда траектория макротрешины проходит не по границе раздела фаз, а по кратчайшему пути через зерна заполнителя.

5. Установлено закономерно нарастающее противоречие между достигаемым повышением предела прочности при сжатии и относительным снижением трсщиностой-кости структуры бетонов, предопределяемое более высокой дисперсностью зернистых компонентов, повышенными значениями площадей поверхности раздела фаз. существенно увеличенным числом физических и физико-химических контактов в единице объема материала, возросшей плотностью, преобладанием мелко- и скрыгокрнсталлп-ческих сростков новообразований. Переход от структу р бетонов 1-й гру ппы к структурам бетонов IV-» группы «сдвигает» переход от линейной модели деформирования к нелинейной (переход от стадии упругого деформирования к стадии мнкротрещинооб-разования) в область более высоких напряжений: для бетонов IIГ-н и особенно Г\'-н группы характерно относительно малое накопление повреждений структуры к моменту последующего катастрофического разрушения.

6. Обоснованы решения но изменению условий диссипации оперши, локализации и концентрации напряжений в бетоне. Экспериментально доказано, чю посредством многоуровневого дисперсного армирования его структуры принципиально .меняет не только значение показателей деформирования и разрушения бетонов, по и сам тип разрушения - от хрупкого к псендопластическочу. Рост трещипостойкостн (вязкости разрушения) обеспечен в три-четыре раза, предельной растяжимост и - па порядок, а полной работ ы разрушения - более чем в 30 раз (около 10000 кДж/м2).

7. Технико-экономическая эффективность разработанных структур бетонов подтверждается высокими значениями относительных удельных показателей: удельная прочность при сжат ии, отнесенная к расходу цемента находится на уровне 0.3 М1 Га/кг. что в 2-2,5 раза выше, чем для традиционных бетонов: удельная вязкость разрушения, отнесенная к расходу цемента составляет 5.5 к! Г/м5'2 кг и более (2-2,5 к! |/м,;2 кг характерно для структуры традиционных бетонок): удельная работ а разрушения, о тнесенная к расходу цемента, - на уровне 15 Дж/кг. что более чем в 75-80 раз превышает значение аналогичного показателя для традиционных бетонов. На основе разработанных решений обеспечивается также ресурсная возможность выпуска высокопрочных цементных бетонов при использовании сырьевых материалов рядового качес тва.

8. Для оценки стабильности конструкционною потенциала высокопрочных бетонов в эксплуатационном цикле экспериментально показано, что структура традиционных бетонов при длительном температурном стимулировании процессов их струк-турообразования после завершения технологического цикла изменяется существенно более интенсивно (с заметным ростом степени гидратации, повышением закрнсталнзо-ванности системы, снижением количества ренп сноаморфиых фаз), чем структу ра современных высокотехнологичных бет онок. От сут ствие заметного роста степени гидратации, перекристаллизации новообразований для бетонов П|-\' структурных групп связано с малыми значениями объема свободного (норового) пространства, необходимого для формирования и развития кристаллогидратов.

9. Доказано, что для бетонов 111-и и 1\'-н структурных ( руин фиксируется заметное и существенное снижение сопротивления разрушению при увлажнении материала. Так. для высокопрочных бетонов 1\'-и структурной группы мелко- и мнкроконгломе-рагноП стру ктуры при ее предельном водопасыщешш наблюдается снижение предела прочности па 10-15 %. а суммарной удельной работы разрушения - более чем на 30% (па основе анализа данных, полученных по методу полных равновесных диаграмм деформирования). Удельная работа микротрещинообразованни. энергетически характеризующая процесс накопления микроповрежденпй. снижается при этом в 3-3,5 раза. Такие изменения объясняю!ся действием эффекта Рсбпндера. Ьетоны \'-й структурной

группы практически не меняют уровень сопротивления разрушению в водокасьпцен-ном состоянии: псевдопластический тип разрушения, диссипация энергии внешнего воздействия на весь объем структурных связей, структурные условия торможения трещин предопределяют их высокую эффективность.

10. Разработанные технологические решения получения и оптимизации эффективных структур бетонов I-V-й структурных групп по критерию их трещиносзойкости легли в основу Технологических регламентов, Технических заданий на подбор составов бетонных смесей, Технологий выполнения бетонных работ, внедренных при строительстве 6 АЭС в России и за ее пределами.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: Статьи в ведущих рецензируемых изданиях, патенты.

1. Коротких, Д.Н. Наноармирование структуры цементного камня кристаллами эттрингита как средство повышения трещиностойкости бетонов /Д.Н. Коротких, Е.М. Чернышов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - №1. - 2008 - С.67-75.

2. Чернышов, Е.М. Приложения нанохимии в технологии твердофазных строительных материалов: научно-инженерная проблема, направления и примеры реализации / Е.М. Чернышов, Н.Д. Потамошнева, О.В. Артамонова, Г.С. Славчева, Д.Н. Коротких, А.И. Макеев // Строительные материалы. - №2. - 2008. - С.32-36.

3. Коротких, Д.Н. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов /ДН. Коротких, О.В. Артамонова, Е.М. Чернышов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. - №2. - 2009 - С.42-49.

4. Коротких, Д.Н. Многоуровневое дисперсное армирование структуры бетонов для повышения их вязкости разрушения /Д.Н. Коротких // Вестник гражданских инженеров. - №3. - 2009. - С. 126-128.

5. Коротких, ДН. Дисперсное армирование структуры бетона при многоуровневом трещинообразовании/Д.Н. Коротких // Строительные материалы. - №3. -

2011. - С.96-99.

6. Коротких, Д.Н. Закономерности разрушения структуры высокопрочных цементных бетонов на основе анализа полных равновесных диаграмм их деформирования (часть 1) /Д.Н. Коротких // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - Вып. 26. -

2012.-С.56-67.

7. Коротких, Д.Н. Закономерности разрушения структуры высокопрочных цементных бетонов на основе анализа полных равновесных диаграмм их деформирования (часть 2) /Д.Н. Коротких // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - Вып. 27. -

2012.-С.54-62.

8. Чернышов, Е.М. Феноменология локализованных зон активной диссипации энергии при деформировании и разрушении современных бетонов /Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - Вып. 31 (50).Ч.2 -

2013. -С.212-222.

9. Крупный заполнитель для бетона: пат. 2 474 542 Рос. Федерация : МПК5' С04В 18/06/ A.B. Ушаков, Т.К. Акчу рин, Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких и др.; заявитель и патентообладатель ВолгГАСУ. — № : 2011110632/03 ; заявл. 21.03.2011 ; опубл. 10.02.2013, Бюл. № 4. - 13 с.

10. Баженов, Ю.М. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы / Ю.М. Баженов, Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких// Строительные материалы. - 2014. - №3. - С. 6-14.

11. Коротких, Д.Н. Изменения структуры современных цементных бетонов и их конструкционного потенциала при длительном действии температурно-влажност-ного фактора в эксплуатационном цикле/Д.Н. Коротких // Научный вестник Воронежского Г АСУ. Строительство и архитектура. - №2. - 2014 - С.34-43. Монография, статьи в сборниках трудов, конференций, периодических изданиях.

12. Коротких, Д.Н. Трещиностойкость современных цементных бетонов (проблемы материаловедения и технологии): монография / Д.Н. Коротких. - Воронеж : Воронежский ГАСУ, 2014. - 141 с.

13. Чернышов, Е.М. Повышение трещиностойкости поризованного конструк-ционно-теплризоляционного мелкозернистого бетона при дисперсном армировании его структуры /Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Новые энергосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий. Материалы Вторых международных академических чтений. - ОГТУ. - Орел. - 2003. С. 56-64.

14. Коротких, Д.Н. Восстановление защитного слоя бетона несущих железобетонных конструкций реконструируемых зданий и сооружений методом торкретирования составами с дисперсным армированием / Д.Н. Коротких, А.Н. Шипулин, И.И. Ушаков // Проблемы строительного комплекса России: Матер. IX междунар. научно-техн. конф. при IX специализированной выставке «Строительство, Коммунальное хозяйство. Камнеобработка 2005» - Уфа,- 2005.- С.53-55.

15. Коротких, Д.Н. Торкретирование поврежденных железобетонных конструкций составами с многоуровневым дисперсным армированием / Д.Н. Коротких, И.И. Ушаков // Проблемы строительного комплекса России: Матер. IX междунар. научно-техн. конф. при DC специализированной выставке «Строительство, Коммунальное хозяйство. Камнеобработка 2005» - Уфа.- 2005.- С.55-57.

16. Artamonova, O.V.The mechanism formation in hydrosilikate systems modified by nanoparticles of SiO;;/ O.V. Artamonova, D.N. Korotkikh, E.M. Chemyshov// Structural chemistry of partially ordered systems, nanoparticles and nanocomposites:Book of abstracts topical meeting of the European ceramic society.- Saint-Petersburg, Russia - 2006.- P. 47-48.

17. Артамонова, O.B. Сравнительный анализ эффективности модифицирования структуры высокопрочных бетонов / О.В. Артамонова, Д.Н. Коротких, Е.М. Чернышов //Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: VI междунар. научная конф.- Кисловодск. - 2006,- С. 22-24.

18. Артамонова, О.В. Формирование структуры и управление прочностными свойствами в гндросиликатных системах модифицированных ультра- и наноразмер-ными частицами / О.В. Артамонова, Д.Я. Коротких, Е.М. Чернышов //"Deformation & Fracture of Materials" DFM2006: Сборник статей по материалам Первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов». T. II.- M. - 20С6.- С. 514-516.

19. Artamonova, O.V. Structure formation research of cement stone modified by SiOz nanoparticles / O.V. Artamonova, , D.N. Korotkikh, O R. Sergutkina, M.N. Khon-yakiria, E.M. Chernyshov // Topical meeting of the European ceramic society: Geometry, information and theoretical crystallography of the nanowold, 30 July - 3 august, 2007. — Saint-Petersburg, Russia. - 2007. — P. 31.

20. Chemyshov, E.M. Nanofibrereinforcement of Cement Stone Structures with help of Ettringite Crystals as a Spase of Concrete Fracture Strength Increasing / E.M. Chernyshov, D.N. Korotkikh //Scientific Israel-Technological Advantages/-vol. 11,- 2009.- P. 23-29.

21. Чернышов Е.М. Модифицирование структуры цементного камня микро-и наноразмерными частицами кремнезема (вопросы теории и приложений)/Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. -2008. №5. - С. 30-32.

22. Чернышов, Е.М., Высокотехнологичные высокопрочные бетоны: вопросы управления их структурой / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких// Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве» SIB 2008, том 1 современные проблемы строительного материаловедения и технологии, книга 2, Воронеж. -2008.-С. 616-620.

23. Чернышов, Е.М. Сопротивление разрушению высокопрочных бетонов, модифицированных наноразмерными частицами / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких. О.В. Артамонова // Третья международная конференция: Деформация и разрушение материалов. Тез. докл. Москва, 12-15 октября. - 2009. - С. 325 - 330.

24. Чернышов, Е.М. Структура порового пространства твердофазных строительных материалов: материаловедческое обобщение / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких, Г.С. Славчева//Вестник OCH РААСН. Вып. 13, т.2, 2009. - С. 119-126.

25. Коротких, Д.Н. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов /Д.Н. Коротких, О.В. Артамонова, Е.М. Чернышов // Технологии бетонов. - №9-10. - 2009 - С.86-89.

26. Коротких, Д.Я. Опыт разработки технологии высокопрочных бетонов на сырьевых материалах рядового качества / Д.Н. Коротких, И.Н. Миляев // Материалы XV академических чтений РААСН - международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Казань.- 2010.- Т.1. - С.312-316.

27. Чернышов, Е.М. Нанотехнологические условия управления струтсгуро-образованием высокопрочных цементных бетонов / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких, О.В. Артамонова II Труды Центрального регионального отделения РААСН - Воронеж. - 2010. - С. 102-123.

28. Коротких, Д.Н. Иерархия трещинообразования и многоуровневое дисперсное армирование структуры бетона / Д.Н. Коротких, И.И. Ушаков, С.И. Ушаков, Е.М. Чернышов // Вестник ОГАСА, Вып. 39, том 2. - Одесса. - 2010. - С.4-13.

29. Коротких, Д.Н. Характеристика показателей разрушения высокопрочных бетонов на основе анализа полных равновесных диаграмм их деформирования / Д.Н. Коротких, A.B. Ушаков // Вестник Центрального регионального отделения Российской академии архитектуры в строительных наук.- Воронеж.- 2011,- С.76-89.

30. Коротких, Д.Н. Исследование методом лазерной голографической интерферометрии процесса трещинообразования при разрушении высокопрочных бетонов / Д.Н. Коротких, А.Г. Кесарийский // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. Вып. №4.- 2011. - С. 32-39.

31. Чернышов, Е.М. Оценка параметров процесса трещинообразования в структуре современных бетонов методом лазерной голографической интерферометрии / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких, А.Г. Кесарийский // Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов: Сб. докл. 6-й международной конф. СПбГАСУ,- СПб. -2012.- С. 65-71.

32. Коротких, Д.Н. Особенности процесса деформирования высокотрещи-ностойких бетонов с многоуровневым дисперсным армированием / Д.Н. Коротких, Е.М. Чернышов, А.Г. Кесарийский //Вг'сник Одссьюм Державно! Академп Будив-ництва та архитектури.- Вып. №47.- Ч.1.-Одесса, 2012,- С.193-200.

33. Чернышов, Е.М. Формирование структуры высокопрочных цементных

бетонов: определяющие принципы и механизмы / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Вестник Центрального регионального отделения РААСН : Выпуск 12: Материалы академических научных чтений «Проблемы развития регионов в свете концепции безопасности и живучести урбанизированных территорий»/ РААСН, ЮЗГУ.- Курск-Воронеж. - 2013,-С.243-255.

34. Чернышов, Е.М., Параметры процесса трещинообразования бетонов с различным уровнем сопротивления разрушению / Е.М. Чернышов, Д.Н.Коротких,

A.Г. Кесарийский //Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли РФ в 2012 году: Сборник научн. трудов/Рос. Академия архит. и строит, наук; Волгогр. Гос. ар-хит.-строит. ун-т.- Волгоград:ВолгГАСУ. - 2013.- С.395-400.

35. Коротких, Д.Н. Оценка эффективности цементных бетонов различных структурных групп по показателям их сопротивления разрушению / Д.Н. Коротких, Е.М. Чернышов, Т.К. Акчурин, A.B. Ушаков, А.Г. Кесарийский // Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов: сб. статей по матер. 7-ой междунар. науч. конф. в 2 т. Т.1 /РААСН, Воронежский ГАСУ,- Воронеж. - 2013.-С. 159-177.

36. Баженов, Ю.М., Развитие и эволюция технологических платформ получения высокопрочных цементных бетонов / Ю.М. Баженов, Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких //Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании: матер. Междунар. заочной науч.-техн. конф.-Тверь:ТвГТУ. - 2014,- С.8-17.

37. Коротких, Д.Н. Методические аспекты оценки характеристик сопротивления разрушению цементных бетонов / Д.Н. Коротких// Вестник Центрального регионального отделения РААСН: Выпуск 13: Матер, академических научных чтений «Научные и инженерные проблемы строительно-технологической утилизации техногенных отходов»,- Белгород: РААСН, БГТУ им. В.Г.Шухова, 2014.- С.107-114.

38. Чернышов, Е.М. Физико-механические и реологические свойства бетонов как следствие эволюции их структуры в эксплуатационном цикле / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких, Г.С. Славчева, Д.А. Паникин //Вестник отделения строительных наук: Вып. 18/РААСН; МГСУ, 2014,- С.141-145.

39. Коротких, Д.Н. Методы оценки характеристик сопротивления разрушению бетонов при моделировании их напряженно-деформированного состояния / Д.Н. Коротких // Моделирование и оптимизация композитов: матер, к междунар.семинару по моделированию и оптимизации композитов - МОК, посвященному 80-летию

B.АВознесенского.- Одесса: Астропринт, 2014. - С.173-177.

40. Коротких, Д.Н. Сопротивление разрушению и трещиностойкость высокотехнологичных бетонов в условиях температурного стимулирования развития структуры их цементной матрицы / Д.Н. Коротких. Е.М. Чернышов // Материалы VIII Академических чтений РААСН - Международной научно-технической конференции «Механика разрушения строительных материалов и конструкций». - Казань: КГ АСУ. - 2014. — С. 126-131.

Подписано в печать 19.12.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.-печ. л. 2,4. Уч.- изд. л.2,3. Тираж 130 экз. Заказ № 505.

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского ГАСУ 394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84