автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Природа конструкционной прочности цементных бетонов

Президиум ВАК Росс:!,;

(решение от" " ^ * ' 19^.'.. 0 ]

пиисудкл ученую степень ДС

|

Л? У чр К- с,

н

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО- СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МАКРИДИН НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

ПРИРОДА КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Засл. деятель науки и техники РФ, член-корреспондент РААСН, д.т.н., профессор Прошин А.П.

Пенза 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................... 6

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И ПРИРОДЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ............................................. 21

1.1. Гидратация и структурообразование минеральных

вяжущих веществ................................... 21

1.2. Структурно-механические и энергетические аспекты гидратации и твердения цементного камня............... 32

1.3. Особенности гидратации и структурообразованшг

цементного камня в присутствии ПАВ................... 38

1.4. О природе механической прочности и механизмах

разрушения цементного камня и бетона.................. 41

1.5. Основные положения механики разрушения и критерии предельного состояния структуры конструкционных материалов........................................ 58

1.6. Заключение и постановка задачи........................ 67

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА, ДЕФОРМАТИВНОСТЬ, РАЗРУШЕНИЕ И ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ................... 72

2.1. Структурообразование цементного камня на основе клинкерных минералов р-С28 и и промышленного портландцемента .............................................72

2.2. Процедура дозирования и фазовый состав

цементного камня................................... 80

2.3. Дисперсно-кристашштная структура цементного камня ...... 91

2.4. Деформативность, объемные изменения и прочность цементного камня при осевом сжатии и изгибе ............ 100

2.5. Физико-механические свойства и параметры разрушения цементного камня в зависимости от его В/Ц отношения

и возраста......................................... 106

2.6. Связь дисперсно-]фисталлитной структуры с энергетикой

и параметрами разрушения цементного камня . ............ 124

2.7. Заключение........................................ 135

ГЛАВА 3. СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ДЕФОРМА-ТИВНОСТЬ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ И ПЛОТНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ............................ 137

3.1. Деформативностъ и прочность керамзитового гравия при

осевом сжатии ..................................... 137

3.2. Механические свойства керамзитового гравия при

осевом растяжении.................................. 145

3.3. Однородность физико-механических свойств

керамзитового гравия................................ 151

3.4. Физико-механические свойства термолжга из опоки......... 161

3.5. Динамический модуль упругости и коэффициент

внутреннего трения заполнителей.............................167

3.6. Деформативностъ, прочность и параметры разрушения заполнителей из горных пород..................................................169

3.7. Заключение ............................................177

ГЛАВА 4. СОБСТВЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТНЫХ СТРУКТУР................ 180

4.1. Собственные деформации цементного камня как

пористого тела..................................... 180

4.2. Водопоглощение - водоотдача и влажносгные деформации искусственных пористых заполнителей.................. 187

4.3. Расчетное определение собственных структурных

напряжений в модели бетона.......................... 198

4.4. Экспериментальная проверка гипотезы обжатия пористого заполнителя....................................... 204

4.5. Заключение ..............................................210

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ

СТРУКТУРЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ БЕТОНОВ ПРИ

ОДНООСНОМ СЖАТИИ................................ 212

5.1. Влияние крупности, формы и рельефа поверхности природных песков на деформативность и прочность матричной составляющей бетона................................ 212

5.2. Исследование напряженно-деформированного состояния структуры бетона на моделях.......................... 223

5.3. Деформативные особенности конструкционного керамзитобетона ............................................241

5.4. Влияние возраста и условий длительного загружения на изменение деформативносги и прочности керамзитобетона . . . 245

5.5. Изменение структурных и прочностных характеристик керамзитобетона при циклическом воздействии положительных температур............................ 251

5.6. Деформативность и прочность конструкционного термолитобетона.................................... 256

5.7. Заключение........................................ 266

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И

ПРОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ

ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ........................... 269

6.1. Влияние тонкодисперсных наполнителей на параметры разрушения цементных систем......................... 270

6.2. Влияние крупности, формы и рельефа поверхности природных песков на параметры разрушения цементных композитов .... 282

6.3. Параметры разрушения мелкозернистых бетонов на

плотных и пористых заполнителях...................... 286

6.4. Влияние химических добавок на структуру и параметры разрушения мелкозернистых бетонов.................... 288

6.5. Заключение........................................ 300

ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНО-СТОЙКОСТИ (ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ) КОНСТРУКЦИОННЫХ БЕТОНОВ ПРИ РАВНОВЕСНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ....................... 302

7.1. Анализ разрушения керамзитобетона по полностью равновесным диаграммам деформирования . .............. 306

7.2. Анализ разрушения термолитобетона по полностью равновесным диаграммам деформирования............... 315

7.3. Анализ разрушения керамзитобетона с демпфирующими добавками ......................................... 328

7.4. Анализ разрушения тяжелого и особо тяжелого бетона

по полностью равновесным диаграммам деформирования .... 332

7.5. Заключение ........................................ 335

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................. 337

ЛИТЕРАТУРА......................................... 342

ПРИЛОЖЕНИЕ

368

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, конструкционная прочность - это комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности, которые составляют основу качества материала, изделия, конструкции и сооружения в целом.

Бетон как материал с широкими возможностями в производстве и применении является одним из основных строительных материалов нашего времени. Экономическая эффективность его использования в том или ином виде конструкций находится в прямой зависимости от качества материала. Проблема качества бетона приобретает особую актуальность в современных экономических условиях, характеризующихся увеличением стоимости энергетических и материальных ресурсов.

В этих условиях, как отмечает акад. П.Г. Комохов, особый интерес у исследователей вызывает легкий бетон. Это объясняется тем, что его свойства и особенности структуры в современном научно-техническом развитии становятся более универсальными, перспективными, если при этом учитывать экологизацию окружающей среды и экономию энергозатрат на отопление промыпшенно-гражданских зданий [1].

Повышения надежности бетона и эффективности конструкций на его основе можно достичь как оптимизацией его структуры, так и уточнением уже имеющихся или введением новых характеристик материала, позволяющих совершенствовать методы проектирования и расчета как конструкций, так и технологий, и, тем самым, более полно использовать конструкционные возможности бетона.

В самом общем случае под структурой материала понимают совокупность устойчивых связей, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях [2].

Формируя ту пли иную структуру, изменяя ее характер и особенности, можно менять свойства бетонов в достаточно широких переделах.

Прочность цементного камня и бетона - это важнейший показатель их структуры, определяющий практически все остальные свойства этих материалов и, следовательно, область их применения.

Механические свойства бетона: прочность, вязкость, упругость, пластичность, определяют способность бетона сопротивляться деформациям и разрушению под действием разнообразных внешних сил, то есть характеризуют его надежность и долговечность как конструкционного композиционного материала.

Современные композиционные материалы подразделяются на три основных класса: дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и армированные волокнами [3].

Один из основателей современной науки о композиционных материалах, проф. А. Дитц, заметил, что "выражение "композиционные материалы" содержит в новой форме очень старую и простую мысль о том, что совместная работа разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих" [4].

Достижение высокой конструкционной прочности в композиционных материалах, армированных, волокнами, обусловлено тем, что эти материалы представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон которые армируют матрицу и воспринимают всю нагрузку. В этом случае матрица нагружена слабо и служит для передачи и распределения нагрузки между волокнами.

В случае же дисперсно-упрочненных и упрочненных частицами композиционных материалов основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы тормозят в ней движение дефектов структуры [5].

Однако, единого мнения о бетоне как композиционном материале у исследователей нет. Так, работами проф. И .А, Рыбьева [6] создана общая научная теория о строительных материалах и их классификация, в которой бетоны отнесены к группе безобжиговых конгломератов.

Акад. Ю.М. Баженов [7] определяет конгломератную структуру бетона как одну из разновидностей композиционных материалов. Проф. И.М. Грушко [8] отмечает, что бетоны можно отнести к композиционным материалам с конгломератной структурой.

Акад. В.И. Соломатов [9] подчеркивает, что по совокупности существенных признаков цементный бетон относится к композиционным строительным материалам, гетерогенность строения которого предопределяет многоуровневую организацию его структуры по типу "структура в структуре".

П.Г. Комохов [1, 10] подчеркивает, что в определении, построенном с позиций анализа структуры материала, должны проявляться принципиальные технические и деформативные его свойства. Энергетические уровни, воспринимающие и порождающие внутренние поля напряжений, должны быть адекватны реально существующим структурным уровням бетона. Бетон как композиционный материал представляет собой многофункциональную систему взаимосвязанных элементов структуры материалов, характеристики которой отсутствуют в отдельно взятых его исходных составляющих. Данный композит формируется взаимодействующими полиструктурами, образованными физико-химическими и механико-энергетическими процессами конструирования двух или более совместимых материалов, различающихся между собой по составу, свойствам, размерам, форме и состоянию.

Полиструктурная теория бетона как композиционного материала активно развивается в настоящее время [11...13].

С учетом свойств компонентов бетона в нем выделяют три типа структуры: микроструктуру - структуру цементного камня, видимую при большом увеличении под микроскопом; мезоструктуру - структуру раствора в бетоне, как двухкомпонентную систему (мелкий заполнитель и цементный камень); макроструктуру - как двухкомпонентную систему (крупный заполнитель и раствор), видимую невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

В то же время структуру цементного камня можно, по образному выражению В.Н. Юнга, квалифицировать как "микробетон", считая, однако, что "заполнителями" в нем служат непрогидратировавшие остатки

СС ЧЩ ^

цементных частиц - ядра, а вяжущим являются окаимляющие их значительно менее плотные реакционные каемки, состоящие из гидратных новообразований, постепенно упрочняющихся с течением времени.

Исходя из принятой двухкомпонентной макроструктурной модели важнейшими структурными элементами бетона являются цементный камень (матрица), зерно заполнителя и их сцепление.

В этой связи свойства бетона определяются прочностью, деформа-тивностью, объемом цементного камня и заполнителей. Они зависят также от геометрических и петрографических характеристик зерен заполнителей, сцепления их с цементным камнем, от характера и числа макро- и микродефектов структуры.

Изучение и учет соответствующих характеристик структурных элементов приобретает первостепенное значение при решении задач оптимизации и прогнозирования важнейших технических свойств бетона. В основе этого изучения лежат положения физико-химической, структурной, энергетической и технологической механики материалов.

Основной задачей физико-химической механики, основы которой разработаны акад. П.А. Ребиндером, структурной и энергетической механики, основы которой разрабатываются акад. П.Г. Комоховым, и технологической механики материалов является изучение соответствующих факторов, определяющих механические свойства тел и их структуру, и использование этих факторов для управления механическими свойствами и процессами образования твердых тел с заданной структурой и свойствами.

Однако, сложность и неоднозначность взаимодействия элементов структуры бетона, генетическое и технологическое многообразие его строения, видов и условий деформирования и, наконец, многостадий-ность, статисшчность и многомасштабностъ процесса разрушения обу-

сдавливают нерешенность многих вопросов в проблеме направленного сгруктурообразования бетона.

Одним из важных направлений, способствующих сознательному управлению свойствами цементного камня и бетона, является, в частности, выяснение природы и механизма коллоидно-химических, механико-и структурно-энергетических явлений (по П.Г. Комохову) и собственных деформаций, вызванных действием вода на элементы структуры.

Поэтому изучение и разработка процессов сгруктурообразования бетонов и новых методов исследования его структуры и механического поведения под нагрузкой имеет важное значение и будет способствовать развитию науки о бетоне.

Вместе с тем, решение задач повышения качества бетона и эффективности конструкций на его основе невозможно без дальнейшего развития физических представлений о природе и кинетике процесса разрушения бетона под нагрузкой в рамках его структурной механики как композиционного материала.

Одним из путей дальнейшего выяснения природы разрушения бетона может служить новый подход к проблеме прочности, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения, так как истинная природа этого хорошо известного явления выяснена далеко не полностью.

В исследованиях последних лет по определению сопротивления материалов разрушению достигнут значительный прогресс благодаря разработке методов механики разрушения - нового научного направления, лежащего на стыке механики деформируемого твердого тела, материаловедения и физики разрушения. Концепция механики разрушения заключается в том, что разрушение твердого тела происходит в результате развития в нем реальных дефектов.

Поскольку между структурой и параметрами механики разрушения существует тесная физическая связь, можно найти новые, более дифференцированные и очень эффективные, характеристики поведения мате-

риалов под нагрузкой, поэтому методы механики разрушения все шире начинают применять для оценки качества конструкционных материалов и оптимизации их механических свойств.

Таким образом, работа посвящена актуальной теме современного строительного материаловедения - проблеме конструкционной прочности и разрушения бетонов и, в частности, вопросам формирования важнейших параметров механической прочности - силовым и энергетическим характеристикам трещиностойкости (вязкости разрушения), изучению самого процесса разрушения в реальном масштабе времени и оптимизации структуры и механических свойств с целью повышения сопротивления бетона стабильному и нестабильному развитию трещин под нагрузкой.

Углубление физических представлений по данным вопросам, полученных как при неравновесных, так и при равновесных механических испытаниях опытных образцов, позволит реализовать не только мате-риаловедческое обеспечение повышения качества конструкционного бетона и, тем самым, повышения надежности и экономической эффективности конструкций и сооружений на его основе, но и усовершенствование расчетов конструкций по предельным состояниям.

Цель работы. Основной целью работы является изучение закономерностей процессов деформирования и разрушения конструкционного бетона как композиционного материала с дисперсными частицами в хрупкой матрице и его составляющих, а также количественная оценка силовых и энергетических параметров разрушения с определением физического смысла параметров механических критериев при равновесных и неравновесных механических испытаниях опытных образцов с использованием базовых концепций механики и физики разрушения, современных физических методов оценки качества и поведени�