автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Технологические и структурные факторы повышения вязкости разрушения цементного камня и бетона

^ л

* л'

\ На правах рукописи

Максимова Ирина Николаевна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ ПОВЫШЕНИЯ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ И БЕТОНА

Специальность 05.23.05 "Строительные материалы и изделия"

Автореферат диссертанта на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза - 1997

Работа выполнена в Пензенской, государственной архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель - член-корр. РААСН, заслуженный деятель

науки и техники РФ. доктор технических наук, профессор А.П. Прошин Научный консультант - академик РААСН. заслуженный деятель

науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.И. Соломатов Официальные оппоненты - член-корр. РААСН, доктор технических

наук, профессор А.Н. Бобрышев - канд. техн. наук, зам. директора АОЗТ "Завод ЖБИ" АХ. Мишин Ведущая организация - ОАО "Иензастройшшустрия'' Минстроя

Российской Федерации

Защита состоится .¡рУ^^/Р.*-. .1997 года в . часов на заседании диссертационного совета К 064.73.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в блок - вставке Пензенской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан

1997 г

Совет направляет Вам для ознакомления данный автореферат и просит Ваши отзывы и замечания в 2-хэкземплярах. заверенных печатью, направлять по адресу: 440028, Пенза, ул. Г. 'Гитова, 28. ПГАСА.

Ученый секретарь диссертационного совета К 064.73.01, кандидат -у

технических наук, доцент Ю.П. Скачков

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. 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 бетонов приобретает особую актуальность в современных экономических условиях, характеризующихся увеличением стоимости энергетических и материальных ресурсов.

Повышения качества 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 технологии, и, тем самым, более полно использовать конструкционные возможности бетона.

Поэтому изучение и разработка процессов струкгурообразования бетонов и новых методов исследования его структуры и физико-механических свойств имеет важное значение и будет способствовать развитию бетоноведения.

Решение этих задач невозможно без дальнейшего развития физических представлений о природе и кинетике процесса разрушения бетона под нагрузкой, а также всестороннего изучения связи состава, структуры и свойств бетона в рамках его структурной механики.

Одним из путей дальнейшего выяснения природы разрушения бетона может служшь 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 материалов под нагрузкой, поэтому методы механики разрушения

все шире начинают применять для оценки качества конструкционных материалов и оптимизации их механических спойств.

Таким образом, работа посвящена актуальной теме современного строительного материаловедения - проблеме прочности и разрушения конструкционных бетонов и, в частности, вопросам формирования важнейших параметров механической прочности - силовым и энергетическим характеристикам трешиностойкости (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 трешин под нагрузкой.

Углубление физических представлений по данным вопросам позволит обеспечить не только повышение качества конструкционного бетона и, тем самым, повышение надежности, долговечности и экономической эффективности конструкций и сооружений на его основе, но и усовершенствовать расчеты конструкций по предельным состоя-ииям.

Работа выполнена на кафедре "Строительные материалы" Пензенской государственной архитектурно-строительной академии в рамках научно-исследовательской темы "Оценка и протезирование физико-механических свойств бетона методами механики разрушения, внутреннего трения и акустической эмиссии"' (№ Г.Р. 01960011293).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Главной целью работы являлось детальное изучение с позиций механики разрушения самого процесса разрушения, получение новых и систематизированных экспериментальных данных о параметрах разрушения, на основе которых можно было бы расширить представления о природе разрушения бетона и разработать научно-практические основы получения бетонов с повышенным сопротивлением вязкости разрушения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать механизм и энергетику зарождения и развития трещин как на отдельно взятых компонентах бетона, 1ак и на бетоне как композитном материале:

- провести комплексные исследования реальной прочности, параметров и процесса разрушения цементного камня и бетонов и установить количественные соотношения между характеристиками состава. структуры и свойствами;

- разработать материаловелческие рекомендации для получения бетонов повышенной вязкости разрушения.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- результаты исследования физико-химических аспектов струк-турообразования цементного камня;

- результаты исследования роли химических добавок в формировании "надмолекулярной"' структуры и прочности цементного камня во времени;

- результаты исследования связи структуры, процесса и параметров разрушения цементного камня;

- результаты исследования влияния тонкодисперсного наполнителя на процесс и параметры разрушения цементного камня;

- результаты исследования процесса и параметров разрушения горных пород, используемых в качестве крупных заполнителей;

- результаты исследований закономерностей процесса и параметров разрушения при равновесных и неравновесных механических испытаниях бетонов разной структуры;

- материаловедческие основы повышения вязкости разрушения бетонов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в следующем;

- объяснении влияния B/U отношения, добавки разжижителя С-3 и процедуры ее введения на фазовый состав и гетерогенность субмолекулярной структуры цементного камня;

- объяснении механизма и энергетики зарождения и развития трешин как в отдельно взятых компонентах бетона, так и в цементном композите;

- использовании нового научного направления в исследовании прочностных свойств с изучением самого процесса разрушения в реальном масштабе времени;

- получении новых критериев надежности - энергетических и силовых характеристик вязкости разрушения цементных систем;

- объяснении связи состава, структуры и параметров разрушения;

- обосновании возможности применения результатов исследований для получения цементных композитов с повышенным сопротивлением вязкого разрушения:

- объяснении влияния дисперсной фазы та характеристики тре-щиностойкости цементных композитов.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Экспериментально установлена возможность регулирования характеристик трещиностойкости - параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины, что достигается формированием определенного структурного состояния бетона.

Результаты исследований могут быть использованы для:

- сравнения различных вариантов состава, технологических процессов изготовления и контроля качества бетонов;

- получения новых расчетных критериев - критериев надежности, наряду с традиционными критериями прочности и жесткости;

- дальнейшей разработки теории разрушения бетонов и прогнозирования их механического поведения под нагрузкой;

- анализа причин разрушения конструкций.

Разработаны рекомендации по повышению сопротивления бетона вязкому разрушению, т.е. по повышению надежности.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследования отражены в научно-техническом отчете ПГАСА за 1996 г. Разработанные составы бетонов повышенной вязкости разрушения получили опытное и промышленное внедрение в АООТ завода "Стройдеталь" №1 г. Пензы при производстве фундаментных блоков, объемных элементов для дачных домиков и пустотных плит перекрытия.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы и полученные результаты доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "'Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении" (Белгород, 1989); 1-ой, Н-ой и Ш-ей международных научно-технических конференциях "Вопросы планировки и застройки городов" (Пенза, 1994, 1995, 1996); международном семинаре "Струкгурообразование, прочность и разрушение композиционных материалов и конструкций" (Одесса, 1994); международной конференции "Ресурсе- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (Белгород, 1995); на XXVIII научно -технической конференции Пензенского ГАСИ (Пенза, 1995); международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения" (Самара, 1995); международной научной конференции "Долговечность строительных материалов и конструкций" (Саранск, 1995); международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения" (Казань, 1996); XXIX научно-технической

конференции Пензенской ГАСА (Пенза, 1997); на гретый академических чтениях "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (Саранск. 1997).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введещгя. пяти глав, обших выводов, списка литературы из 170 нанменовашгй, приложения; ихтожена на 185 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована пель исследовании, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса. Краткий обзор учения о прочности цементного камня и бетона в достаточной мере отражает сложность процессов как гидратации вяжущих веществ, так н синтеза прочности цементных систем.

Сложность и неоднозначность взаимодействия элементов структуры бетона, генетическое и технологическое многообразие строения, видов и условий деформирования, и. наконец, многосталийность. ста-тиспгчность и многомасштабностъ процесса разрушения обусловливают нерешенность многих вопросов в проблеме направленного структу-рообразования.

Тем не менее, основные структурно-механические свойства цементного камня и бетона достаточно хорошо изучены на макроскопическом уровне. На основании тех или иных теоретических предпосылок установлены многие эмпирические зависимости связи состава, технологических факторов, структуры и свойств изучаемых материалов. Обобщение этих зависимостей позволяет более irai менее надежно проектировать технологию получения изделий из бетона с нужными свойствами.

Однако, более жесткие и сложные требования, предъявляемые к механическим свойствам и экономической эффективности и, прежде всего, повышение и прогнозирование надежности и долговечности.

ставят перед наукой о оетоне новые проолемы по совершенствованию технологии создания структуры бетона с нужными свойствами.

Проблема повышения надежности и долговечности изделий на основе бетона обусловлена тем, что многие важные вопросы расчета этих изделий основаны на таких общепринятых критериях проектирования, как предел прочности, с использованием эмпирических и по-луэмгагрических зависимостей без глубокого проникновения в физическую сущность явления.

Традиционные методы оценки качества композитных строительных материалов не дают исследователю количественных обобщенных механических критериев разрушения, связывающих напряженное состояние с характеристиками дефектов. Количественная оценка критериев надежности и долговечности, характеризующих способность материала тормозить развитие дефекта, основывается на концепциях линейной механики разрушения.

В настоящее время оценка качества композитных материалов с позиций физики и механики разрушения занимает ведушее положение при разработке и создании материалов с нужными свойствами.

В последние годы в этом направлении по цементным композитам опубликованы работы ЛААдимова, Ю.М.Баженова, В.В.Бабкова,

A.Н.Бобрышева. В.Н.Вырового, Г.И.Горчакова. И.М.Грушко. Е.А.Гузеева, Ю.В.Зайцева, В.М.Ентова, И.А.Иванова, П.Г.Комохова, Н.И.Макридина, Л.П.Орентлихер, В.В.Панасюка. АП.Пака,

B.П.Селяева, В.И.Соломатова, Е.М.Чернышова, В.И.Шевченко, АФ.Шурова, В.И.Ягуста и др.

В этих работах в основу физического подхода положено развитие физических представлений о природе и кинетике процесса разрушения, связанного с преодолением системой потенциальных барьеров, а элементарный акт разрушения - зарождение микротрешины, или потерю устойчивости - макротрещины, в механическом аспекте считают детерминированным, происходящим при достижении какой-либо величиной критического значения. На этом основаны механические критерии разрушения (критический коэффициент интенсивности напряжений, энергия разрушения и др.).

Объединение этих подходов и получение физически обоснованных критериев условий разрушения является наиболее актуальной современной задачей строительного материаловедения.

Таким образом, механизм разрушения композитных материалов с дисперсными частицами в хрупкой матрице, обусловленный кинетикой зарождения и развития треппш, может быть перенесен в виде рабочей гипотезы и на цементный камень и бетон на его основе. Из положений рабочей гипотезы определилась и основная цель исследований, сформулированная выше.

Во второй главе приведены основные характеристики исходных материалов и методы исследования связи "состав - структура - свойство" цементного камня и бетона.

В качестве вяжущих веществ были использованы цементы: ПИ, ПЦД, БТПЦ, ССПЦ, ССПЦД марок 400 и 500 Вольского, Жигулевского, Себряковского и Старооскольского цементных заводов.

В качестве модифицирующих добавок использовали разжижи-тель С-3 (ТУ 6-36-020429-625), УПМД на основе отработанных солевых растворов при производстве ацетоуксусного эфира.

В качестве заполнителей использовали сурский речной, констан-тиновский карьерный и Вольский стандартный песок, известняковый щебень сокского карьера, гранитный щебень из Челябинской области, серпентшпгговый щебень, дробь чугунную, мраморную крошку, местный керамзит и термолит на основе кремнистых пород.

Характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения) определяли на образцах типа I при равновесных и неравновесных механических испытаниях на трехгочечный изгиб по методике ГОСТ 2916791. Деформативность оценивали тензодатчиками активного сопротивления, а прогибы - индикаторами часового типа.

Динамический модуль упругости и коэффициент внутреннего трения определяли с помощью прибора ИКВТ-2 по резонансной частоте колебаний опытного образца с использованием аналитических зависимостей данного метода.

Фазовый состав новообразований цементного камня идентифицировали по ионизационным рентгенограммам образцов, полученных на дифрактометре ДРОН-2. Субмолекулярную гетерогенность структуры образующихся фаз оценивали по размерам блоков мозаики размер которых рассчитывали по упшрению дифракционных максимумов отдельных линий с использованием формулы Н.Я. Селякова: и = А • 18(Р / (я -Лв ■ со$в), (1)

1де л - длина волны излучения медного анода. Л О - полуширина пика В, выраженная в радианах, в - брэгговский утол падения и отражения рентгеновского луча.

Расчет плотности дислокаций в структуре цементного камня вели по формуле

р^З/Lj2, см-2. (2)

Для исследования кинетического процесса разрушения структуры опытных образцов использовали метод акустической эмиссии (АЭ), так как возникновение и развитие дефектов структуры в физико-механическом аспекте наиболее адекватно характеризуется процессами излучения механических волн напряжений, получившими название эмиссии волн напряжений или АЭ. Параметры АЭ по ГОСТ 25.002-80 регистрировали в цифровой и аналоговой форме в полосе частотного диапазона 50...150 кГц с помощью акусгико-эмиссионного устройства на базе стандартного прибора АФ-15.

Исследования проводили в соответствии с методами математического планирования эксперимента. Математическую обработку и анализ результатов эксперимента проводили по современным статистическим методам с использованием ПК IBM на базе процессора Pentium.

В третьей главе приведены результаты исследований фазового состава и дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня в зависимости от концентрации добавки разжижителя С-3. процедуры его введения и возраста цементного камня, а также приведены физико-механические характеристики качества, энергетики трещинообразова-ния на кривой нагружения и механические параметры разрушения цементного камня. Исследуемые связи рассмотрены в диапазоне возраста цементного камня от 28 суток до 4,5 лет.

Установлено, что образующиеся в начальные сроки твердения цементного камня твердые растворы внедрения CSH(B) неустойчивы и распадаются во времени. Распад твердых растворов в цементном камне происходит вследствие не только большой разницы в размерах атомов кремния, кальция, кислорода и водорода, но и наличия в твердом растворе неоднородностей или зон концентрации кальция. При этом в образцах, полученных без разжижителя С-3, твердый раствор распадается, преимущественно, на тоберморит и фазу C2SH(C), а в образца* с С-3 твердые растворы внедрения распадаются на большее

ю

количество фаз. Их колтшество возрастает еще больше при низких во-доцементньтх отношениях.

Показано, что распад твердых растворов, являющийся фазовым превращением, является одним из эффективных способов воздействия на структуру и свойства цементного камня.

По степени закристаллизованности образующихся фаз в проектном возрасте цементного камня следует считать оптимальной дозировкой добавки С-3 0,5% от массы цемента. Цементный камень без С-3 обладает более однородной структурой.

Проведены комплексные исследования по изучению влияния дозировки и процедуры введения добавки С-3 в цементную систему на характеристики качества и прочностные свойства дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня.

Расчетным путем получены размеры блоков мозаики характеризующие области однородности структуры внутри кристаллов фаз, и плотность дислокаций в структуре образовавшихся фаз.

Анализ экспериментально полученных характеристик качества дисперсно-крисгаллитной структуры цементного камня показал, что они зависят как от концентрации, так и процедуры введения С-3. а также от В/Ц отношения. С увеличением дозировки С-3 до 1,0% и уменьшением В/Ц отношения до 0,18 и 0,20 наблюдали увеличение субмолекулярной гетерогенности структуры цементного камня, т.е. уменьшение размеров блоков мозаики Ьд и повышение плотности дислокаций р.

Показано, что при приготовлении цементной композиции добавку С-3 нужно вводить со второй частью воды затворения. Этот прием способствует формированию большего количества гидросиликатов кальция волокнистой структуры. На первом этапе смешения ничто не должно мешать взаимодействию минералов цемента с водой.

Исследована связь дисперсно-крисгаллитной структуры с энергетикой процесса разрушения и прочностными свойствами цементного камня методами механики разрушения с использованием метода АЭ.

Проведено исследование амплитудно-энергетического распределения (АЭР) импульсов АЭ при неравновесных механических испытаниях образцов типа I цементного камня в возрасте 420 суток (рис. 1).

Амплитудно -энергетическое распределение импульсов акустической эмиссии при механических испытаниях образцов цементного камня серий 1...6

ЭАЗ, ВСМ

,-2

0,20 -1)С-3- 0% 2)С-3-1.0% 3)0-3-0.5% 410-3 - 0.5% 5)0-3-0.25% 6)0-3-0,25%

. 0,16

0,12 0.0012

0.0008 0.0004

Л

ш

р

щ

п

О 0,4 0,8 0,4 0,8 0,4 0,8 0,4 0,8 0,4 0,8

Интенсивность напряжения 1) ... 6| - образцы серий, соответственно 1...6 Рис. 1

0,4 0,8

Установлено, что каждому этапу нагружения соответствует определенное акустическое излучение. С увеличением нагрузки энергия АЭ на отдельных этапах нагружения выделяется стохастически и достигает максимума в момент разрушения. Стохастичность АЭ на этапах нагружения обусловлена неравновесными фазовыми переходами, отвечающими особой точке (точке бифуркации), при достижении которой скачкообразно изменяются свойства, обусловленные самооргани-запией процесса.

По характеру потери устойчивости однородного состояния равновесия и необратимого перехода в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений, дисперсно-кристаллитную структуру цементного камня можно отнести к дисси-пативным структурам.

1

Подходы синергетики, изучающей процессы самоорганизации, развития устойчивости и распада структур, позволяют обосновать наличие дискретных уровней энергии АЭ (рис. 1) на единицу длины трещины, взаимосвязанных между собой и определяющих третцино-стойкость материала в точках бифуркации, отвечающих как смене типа микромеханизма разрушения, так и смене типа диссипативных структур цементного камня.

Определены механические и акустические параметры разрушения (Ке" и Эаэ) дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня и показана их зависимость от факторов: фазового состава цементного камня, чиста образующихся фаз, степени конденсации структуры образующихся фаз, степени когерентности образующихся метаста-бильных фаз с матрицей твердого раствора, от величины блоков мозаики и их ориентации по отношению друг к другу, плотности дислокаций. возраста и условий твердения. Дозировка добавки С-3 и процедура ее введения в цементное тесто оказывают влияние на некоторые перечисленные факторы и, тем самым, косвенно оказывают лишние на количественные значения параметров разрушения цементного камня.

Смена закономерности энерговыделения АЭ на кривой нагруже-ния может являться важным прогностическим признаком прелразру-шающегося состояния, по которому можно осуществлять реиептурно-технологическую оптимизацию структуры материала.

Исследованы зависимости влияния В/Ц отношения, возраста и условий твердения на кинетику изменения прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе, динамического модуля упругости. условного критического коэффициента интенсивности напряжений, коэффициента внутреннего трения, удельной энергии АЭ, поперечных и продольных деформаций при осевом сжатии, коэффициента поперечной деформации и изменения внешнего объема образна не-менгного камня на кривой нагружения.

Экспериментальные данные по комплексной оценке характеристик качества цементного камня позволили пронормировать значения критического коэффициента интенсивности напряжений Кс* в зависимости от Яри- Эту зависимость можно записать в виде

Хс' = пц ■ (3)

где т; равно 0,098.

В четвертой главе приведены результаты исследований физико-механических свойств горных пород, используемых в качестве дисперсных заполнителей для бетонов.

На образцах горных пород, по аналогии с образцами цементного камня, определены динамический модуль упругости и коэффициент внутреннего трения, предельная деформативность растянутой зоны образна при изгибе и предел прочности на растяжение при изгибе, условный критический коэффициент интенсивности напряжешш при неравновесных механических испытаниях на изгиб образцов тина I и акустическая эмиссия образцов на кривой нагружения.

В таблице приведены средние значения структурно-прочностных параметров пород, полученных в наших опытах.

Таблица

Материал П а р а м е т р ы 1

р, кг/м3 МПа 1 Ед, МПа Кс\ МПам0 5 ! &ВТ !

Гранш 2780 15,05 1 40840 1,2^/ | 0,01224 |

Известняк 2440 8,12 34120 0,785 | 0,00519 |

Мрамор 2730 24.9 : 89780 1.684 0.00192 !

ТУФ 1700 6,36 | 11830 0,610 0,00320 !

Установлено преимущество мрамора по показателям механических критериев (табл.). Однако, при сравнении величин Квг, являющегося мерой внутреннего трения структуры реальных материалов, характеризующей способность материала необратимо превращать в теплоту механическую энергию, сообщенную ему в процессе деформирования, значительными преимуществами обладает грагагг.

Изучено АЭР импульсов АЭ при неравновесных механических испытаниях горных пород на образцах типа I (рис. 2). Незаштрихо-ванные участки столбиков гистограммы характеризуют энергию АЭ образца в процессе его поэтапного нагружения, а заштриховашше -АЭ, которую фиксировали при 1...1.5 минутной выдержке на данном этапе нагружения.

По характеру АЭР импульсов АЭ установлено, что излучение механических волн напряжешш, вызванное внутришей динамической перестройкой структуры материала под воздействием механической нагрузки, для рассматриваемых горных пород имеет существенное как качественное, так и количественное различие.

Амплитудно-энергетическое распределение импульсои АЭ при разрушении горных пород на образцах тиЬа

Эдэ.Всм2

Интенсивность напряжения I | - АЭ при нагружешш образца УУ///^ - АЭ при п вдержке образца на этапе [Гагр ужения: Рис. 2

Совместный анализ АЭР импульсов АЭ (рис.2), механических критериев и Кцт (табл.) горных пород позволил высказать предположение о том, что энергия разрушения материала складывается из затрат на образование свободной поверхности и изменение кинетической и потенциальной энергии области, окружающей вершину развивающеюся дефекта. Показано, что плотность потока энергии АЭ отражает все особенности поля вокруг вершины трещины, зависит от констант материала и является мерой затрат на развитие разрушения, что позволило утверждать о более вязком (треппшостойком) характере разрушения образцов гранита по сравнению с образцами других горных пород.

Комплексные исследования связи структуры и прочностных свойств горных пород позволили получить новые характеристики поведения материма под нагрузкой, на основе которых предложен обобщегашй критерий качества для использования при выборе крупного заполнителя для бетонов с повышенной вязкостью разрушения в соответствии с современными воззрениями на реальную прочность с позиций механики разрушения композитных материалов. Таким критерием качества Кк, при прочих равных условиях, может быть произведение

Кк - Ед ■ Квт . (4)

сомножители которого определяют неразрушающим методом.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований по изучению процесса разрушения и опенке силовых и энергетических параметров разрушения цементных композитов разной структуры и разного состава. В качестве дисперсной фазы для изготовления композитов использовали молотый кварцевый песок разной дисперсности, однофракшшнный кварцевый песок разных фракций; природный речной, овражный и стандартный Вольский песок с дисперсностью, соответственно, 109, 87 и 57 см2/г; межозерхшсгый щебень крупностью до 10 мм из гранита, серпентинита, мрамора, известняка, дробленого керамзита, термолита на основе опок, а также чугунную дробь. В качестве модифицирующих структуру цементного камня химических добавок при изготовлешпг мелкозерштстых композитов использовали суперлластифшсатор С-3 и противоморозную добавку УПМД.

Получены зависимости влияния дисперсности, формы, рельефа поверхности, объемного содержания, природы дисперсной фазы, вида модифицирующей добавки и ее количественной доз1гровки как на характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения), так и на процесс разрушения цементных композитов при равновесных и неравновесных механических испытаниях опытных образцов типа I.

Установлена зависимость прочностных свойств композитов от отношения где (1 - толщина цементной матрицы между двумя соседними дисперсными частицами, а О - средний размер частиц дисперсной фазы.

Установлено влиятше дисперсности и объемного содержания наполнителя на характер изменения механических свойств и параметров трещиностойкости цементных композитов, и показана неоднозначность изменения прочностных свойств и параметров прочности от объемного содержания наполшггеля.

Выявлено, что для цементных композитов с крупностью кварцевых частил 10 и 17 мкм оптимальные значения коэффициента Кс' соответствуют с1/В отношению в пределах от 3-х до 2-х, а для композитов крупностью частиц 220 и 450 мкм оптимальный коэффициент Кс* - соответственно в пределах от 3-х до 0,5.

Изучены графические зависимости Кс* песчаных композитов от объемного содержания природных песков, отражающих влияние формы, рельефа поверхности и дисперсности мелкого заполнителя (рис. 3).

На песчаных композитах пронормированы значения Кс* в зависимости от прочности на растяжение при изгибе и уровня расположения параметрической точки Я/ , по О.Я. Бергу, для чего экспериментально были получены характеристики уплотнения, разуплотнения и разрушения структуры бетона, по Бергу, при одноосном сжатии.

Показано влияние природы плотных и пористых заполнителей на численные значения коэффициента Кс* и подтвержден наш вывод в главе 4 об учете обобщенного коэффициента качества заполнителя при проектировании состава бетона конструкционного назначения с повышенной вязкостью разрушения.

Получены полностью равновесные диаграммы деформирования бетонов по стандартизированной методике, наиболее полно и наглядно отражающие, при прочих равных условиях, влияние природы заполнителя на удельные энергозатраты на статическое разрушение до

Зависимость условного критического коэффициента интенсивности напряжений Кс' от объемного содержания и вида мелкого заполнителя

с,4 4---,-1-!-1-1-,---!--.-1-I

С С 1 0 2 0,3 0,4 2,5 0,6

объемное содержание мелкого заполнителя

С- сурсыш песок К - Константинове кий песок В - Вольский песок

Рис. 3

момента начала движения магистральной трещины <?,- и после начала движения трещины С?.

Исследованиями установлено, что, как пластифицирующая добавка С-3, так и противоморозная УПМД, оказывают позитивное влияние на синтез силовых и энергетических параметров разрушения цементных композитов. Амплитудно-энергетическое распределение импульсов акустической эмиссии также свидетельствует об увеличении плотности энергии АЭ при оптимальной дозировке модифицирующих добавок.

выводы

В результате реализации плана диссертационной работы можно сформулировать следующие основные выводы:

1. С помощью современных физических методов исследования с позиций нового научного направления - механики разрушения, всесторонне изучены зависимости влияния технологических и структурных факторов на повышение трещиностойкости (вязкости разрушения) цементного камня и бетона:

2. По стандартизированной методике получены систематизированные новые параметры поведения цементных композитов под нагрузкой, характеризующие надежность и долговечность последних и позволяющие совершенствовать методы проектирования и расчета как конструкций, так и технологий;

3. Как при неравновесных, так и при равновесных механических испытаниях с помощью метода акустической эмиссии детально изучен сам процесс разрушения цементных композитов в реальном масштабе времени;

4. Установлены закономерности связи между' составом, структурой разных масштабных уровней, физическими и механическими параметрами разрушения (ЭАэ. Кс\ С/, Ср) цементных композитов:

5. Установлено влияние дозировки и процедурного фактора введения добавки С-3 в цементную систему на фазовый состав и однородность строения дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня. Показано, что распад твердых растворов цементного камня, являющийся фазовым превращением, зависит в определенной мере от концентрации и процедуры введешгя модифицирующих добавок. чЭтот технологический прием является одним из эффективных физико-химических методов воздействия на формирование тонкой структуры цементного камня, предопределяющий как прочность, так и параметры разрушения последнего и композита на его основе. Это положеште подтверждено расчетно-экспериментатьной оценкой характеристик качества дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня, т.е. оценкой размеров блоков мозаики и плотности дислокаций р, характеризующих субмолекулярную гетерогегашсть структуры цементного камня;

6. Кинетический подход к процессу разрушения горных пород позволил предложить обобщенный критерий качества крупного за-

полшггсля. который необходимо учитывать при выборе последнего, для получения бетонов повышенной вязкости разрушения;

7. Выявлена кинетика и энергетика процесса-разрушения на кривой натружения для цементного камня, горной породы и композитов на их основе, которая может являться важным прогностическим признаком предразрушающегося состояния, по которой можно судить , о , степени вязкости разрушешгя и осуществлять рецептурно-.технологическую оптимизацию структуры композита.

5. Использованы подходы синергетики при рассмотрении зависимости сопротивления исследуемых материалов разрушению и обоснованы различные кинетические и энергетические свойства при разрушении одного и того же материала в точках бифуркации, отвечающих как смене типа микромеханизма разрушения, так и смене типа диссипативных структур цементных систем.

9. Получены полностью равновесные диаграммы деформирования мелкозернистых бетонов, наиболее полно отражающие влияние дисперсной фазы на реальную прочность композита.

10. Комплексная оценка характеристик качества позволила пронормировать значешш условного критического коэффициента интенсивности напряжений Кс* для цементного камня в зависимости от В/П отношения и возраста, а для цементного композита - от объемного содержания дисперсной фазы;

11. Разработаны оптимальные составы цементных композитов на местных заполнителях с повышенной трещиностойкостью (вязкостью разрушения) для использования в производстве строительных конструкций жилищного и промышленного назначения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Макрпдин Н.И., Максимова И.Н. Влияние добавки на основе отхода от производства аиетоуксусного эфира на свойства бетона. Тез. докл. к зональному семинару. - Пути ресурсосбережения в производстве строительных материалов и изделий. ПДНТП, Пенза, 1989, с. 32...33.

2. Макрпдин Н.И., Максимова И.Н. Исследование и анализ параметров состояния ИСК. Тез. докл. Всесоюзной НТК. - Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении. Теория ИСК и ее практическое значение. Белгородский ТИСМ, Белгород, 1989, с.ЗЗ.

3. Макрпдин Н.И., Максимова И.Н. К анализу трешиностойко-сти бетона. В сб. науч. трудов. - Вопросы планировки и застройки городов. ПГАСИ-ЦНТИ-ПДНТиЭЗ, Пенза, 1994, с.З.

4. Макрпдин Н.И., Прошин А.П., Максимова И.Н. К анализу механического повеления бетона. Материалы Международного семинара. - Структурообразование, прочность и разрушение композиционных материалов и конструкций. Одесса, 1994, с. 39.

5. Максимова И.Н., Прошин А.П., Макрпдин H.H. Об учете помех при акустико-эмиссионных исследованиях. Материалы II Международной НТК. - Вопросы планировки и застройки городов, ПДЗ, Пенза, 1995, с. 109...111.

6. Максимова И.Н. О корреляции электрических и акустических сигналов при испытании композиционных строительных материалов. Материалы XXVIII НТК Пензенского ГАСИ, Пенза, 1995, с.71.

7. Махридин Н.И., Прошин А.П., Верштгорова В.Н., Максимова И.Н. О струкгурообразовашш цементного камня. Международная НТК. - Современные проблемы строительного материаловедения. Часть 1. Самара, Самарская АСА, 1995, с. 7...10.

8. Макрпдин Н.И., Прошин А.П., Максимова И.Н. К исследованию долговечности и надежности бетона. Тез. докл. МНК. - Долговечность строительных материалов и конструкций. МГУ им. Н.П. Огарева, Саранск, 1995, с. 17...18.

9. Макрпдин Н.И., Прошин А.П., Максимова И.Н., Второв Б.Б. К вопросу оптимизации структуры и свойств бетона. В сб. Международной НТК. - Современные проблемы строительного материаловедения. Вторые Академические чтения. Часть 3. Казань, 1996, с. 70...72.

10. Макридин Н.И., Вершпорова В.Н.. Максимова И.Н.. Фомина Н.В. Дисперсно-кристаллитная структура и параметры разрушения цементного камня. Материалы XXIX НТК Пензенской ГАСА, Пенза, 1997, с. 87...89.

11. Макридин Н.И.. Максимова И.Н.. Попов Н.И.. Шалыпш Н,Г1. Влияние добавки C1I С-3 и возраста на параметры разрушения цементного камня. Материалы XXIX НТК Пензенской ГАСЛ. Пенза, 1997, с. 90.

12. Макрилин H.II.. Максимова И.Н., Попов Н.И., Шалыпш H.I1. Влияние вида заполтштеля на параметры разрушения бетона. Материалы XXIX НТК Пензенской ГАСА, Пенза, 1997, с. 91.

13. Макридин Н.И., Максимова И.Н., Попов H.H., Шалыпш Н.П., Крылова Е.В., Шаповалова CA. Показатели качества цементного камня в зависимости от его состава и возраста. Материалы XXIX НТК Пензенской ГАСА, Пенза, 1997, с. 92...93.

14. Макридин Н.И., Прошин А.П., Попов Н.И., Максимова H.H. К опенке влияния дисперсной фазы мелкозернистого бетона на его параметры разрушения. Тез. докл. Третьих Академических чтений. - Актуальные проблемы строительного материаловедения. Саранск. Изд-во Мордовского ун-та, 1997, с. 9...10.

15. Макридин Н.И.. Прошин А.П.. Шалыпш Н.П.. Максимова И.Н. О связи между параметрическими точками (R/1 и Ят) и параметрам! разрушештя (Кс~ и G¡c). Тез. докл. Третьих Академических чтений. - Актуальные проблемы строительного материаловедения. Саранск. Изд-во Мордовского ун-та. 1997. с. 11...12.

Максимова Ирина Николаевна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ ПОВЫШЕНИЯ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ И БЕТОНА

Специальность 05.23.05 "Строительные материалы и изделия"

Подписано в печать Формат 60x84/16.

Бумага офсетная Ni2. Печать офсетная. Тираж 80 экз. Заказ

Участок множительной техники

Пензенской государственной архитектурно-сгроительной академии

440028, Пенза, ул. Г. Титова, 28.

Автореферат

Ответственный за выпуск к.т.н., доцент

ВА. Худяков