автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Закономерности деформирования и прогнозирование стойкости бетонов при силовых и температурных воздействиях

Министерство общего и специального образования РФ Ростовский государственный строительный университет

На правах рукописи

Несветаев Григорий Васильевич

Закономерности деформирования

и прогнозирование стойкости бетонов при силовых

и температурных воздействиях (методология и принципы рецептурно-технологического регулирования)

Специальность 05.23,05 - Строительны

-

' 3

Материалы и изделия

Диссертации^ насоискан|1е ученой степени доктора технических наук

Научный консультант \И /0/. заслуженный деятель науки и техники РФ» докт, техн. наук, профессор Айрапетов Г.А.

Ростов-на-Дону -1998 г

Оглавление

Введение 8

ГЛАВА 1. Собственные и вынужденные деформации и

стойкость бетона к различным воздействиям 16

1.1 Элементы структуры бетона 16

1.2 Деформации бетона 17

1.3 Критерии стойкости бетона 22 Выводы по главе 38

ГЛАВА 2. Константы деформирования при

кратковременном сжатии 39

2.1 Начальный модуль упругости бетона 39

2.1.1 Анализ эмпирических формул для расчета начального модуля упругости тяжелого бетона 40

2.1.2 Анализ эмпирических формул для расчета начального модуля упругости легких бетонов при сжатии 48

2.1.3 Анализ известных структурных моделей для расчета модуля упругости и теоретические основы использования трехкомпонентной модели 54

2.1.4 Влияние свойств цементного камня и заполнителей на модуль упругости бетона 60

2.1.5 Влияние свойств контактных зон на модуль упругости бетона 72

2.1.6 Универсальная формула для расчета модуля упругости 77

2.2 Коэффициент упругости и относительная деформация,

соответствующие пределу кратковременной прочности 91

2.2.1 Эмпирические формулы для определения величин и 91

2.2.2 Структурная модель для оценки величин и 104

2.2.3 Влияние свойств цементного камня и контактных зон

на величины er и Xr 105

2.2.4 Влияние некоторых рецептурно-технологических

факторов на величины eR и 110

2.2.5 Связь коэффициента упругости с энергетическими характеристиками трещиностойкости 112

2.3 Граница устойчивого деформирования сечений 117

2.3.1 Нормативные предложения 120

2.3.2 Нисходящая ветвь диаграммы 124

2.3.3 Энергетический подход к определению границы устойчивого деформирования сечений 126

2.3.4 Некоторые экспериментальные факты, подтверждающие гипотезу энергетического барьера деформации 132

2.3.5 Практическое применение границы устойчивого деформирования сечений 134

Выводы по главе 138

ГЛАВА 3. Константы деформирования при

кратковременном растяжении 139

3.1 Предел прочности при растяжении 139

3.2 Модуль упругости при растяжении 147

3.2.1 Эмпирические формулы для определения модуля упругости бетона при растяжении 149

3.2.2 Соотношение модулей упругости при сжатии и растяжении 154

3.3 Относительная деформация» соответствующая пределу кратковременной прочности при растяжении ("предельная растяжимость") 156

3.4 Коэффициент упругости бетона при растяжении 161 Выводы по главе 165

ГЛАВА 4 Применение основных констант деформирования

для оценки свойств бетонов при скоростях нагружения,

отличных от стандартных 166

4.1 Уровень длительной прочности 166

4.1.1 Анализ известных предложений 166

4.1.2 Применение энергетических критериев к определению уровня длительной прочности 168

4.1.3 Практический метод определения уровня длительной

прочности 169

4.1.4 Оценка уровня длительной прочности с учетом временного

фактора 175

4.2 Определение меры ползучести бетона 180

4.2.1 Анализ известных предложений 180

4.2.2 Энергетический подход к определению меры ползучести бетона 185

4.2.3 Структурная модель для изучения меры ползучести 189

4.2.4 Соотношение меры ползучести тяжелого и легкого бетона 191

4.2.5 Предложения по нормированию меры ползучести 192

4.3 Коэффициент динамического упрочнения 194

Выводы по главе 199

ГЛАВА 5. Применение энергетических критериев к оценке стойкости бетона и железобетона при температурных воздействиях 200

5.1 Стойкость бетонов при циклических воздействиях 200

5.2 Прогнозирование морозостойкости бетонов 205

5.2.1 Определение морозостойкости бетона по удельной работе деформирования 206

5.2.2 Прогнозирование морозостойкости по величине

коэффициента упругости при осевом сжатии 209

5.2.3 Прогнозирование морозостойкости бетона по величине

условного уровня напряжений фазового перехода 212

5.3 Морозостойкости нагруженного бетона 221

5.4 Обеспечение совместности работы арматуры и бетона при циклическом замораживании-оттаивании 228

5.5 Обеспечение стойкости бетона в атмосферных условиях при положительной температуре 232

5.5.1 Стойкость бетона к циклическому нагреванию-остыванию 232

5.5.2 Обеспечение стойкости бетона при развитии усадочных

процессов (усадочная трещиностойкость) 235

Выводы по главе 239

ГЛАВА 6. Применение основных констант деформирования к решению некоторых практических задач 240

6.1 Общие принципы назначения нормативных и расчетных сопротивлений бетонов 240

6.2 Общие принципы построения нормативных диаграмм деформирования бетона для проектирования конструкций 250

6.3 Предложения по нормированию основных показателей назначения высокопрочных бетонов 254

6.4 Определение соотношения пределов прочности при изгибе и осевом растяжении и трещиностойкости изгибаемых элементов по нормальным сечениям 266

Выводы по главе 286

ГЛАВА 7, Технологические принципы управления основными константами деформирования с целью повышения стойкости бетонов 287

7.1 Бетоны с компенсированной усадкой 291

7.1.1 Общая характеристика 291

7.1.2 Предел прочности при сжатии 304

7.1.3 Предел прочности при растяжении 316

7.1.4 Начальный модуль упругости при сжатии 321

7.1.5 Параметры диаграммы "о - г" при сжатии 324

7.1.6 Границы микротрещинообразования при сжатии 327

7.1.7 Деформативность при растяжении 330

7.1.8 Нормативные и расчетные диаграммы и сопротивления 332

7.1.9 Оценка прочности и деформативности бетонов с компенсированной усадкой при скоростях нагружения, отличных от стандартной 334

7.1.10 Морозостойкость бетонов с компенсированной

усадкой 336

7.1.11 Кровельные бетоны 347

7.2 Бетоны с низко модульным и включениями 359

7.2.1 Общая характеристика 359

7.2.2 Предел прочности при сжатии 361

7.2.3 Предел прочности при растяжении 367

7.2.4 Модуль упругости при сжатии 371

7.2.5 Параметры диаграммы "а - е" при сжатии 373

7.2.6 Границы микротрещинообразования при сжатии 373

7.2.7 Характеристики трещиностойкости 376

7.2.8 Испытания опытного изделия 378

7.3 Бетоны на вторичных заполнителях 383

7.3.1 Общая характеристика 383

7.3.2 Предел прочности при сжатии 385

7.3.3 Предел прочности при растяжении 392

7.3.4 Начальный модуль упругости при сжатии 394

7.3.5 Параметры диаграммы "о - е" при сжатии 397

7.3.6 Границы микротрещинообразования при сжатии 401

7.3.7 Нормативные и расчетные диаграммы и сопротивления

бетонов навтоичных заполнителях 402

7.3.8 Деформативность при растяжении 402

7.3.9 Оценка прочности и деформативности бетонов на вторичных заполнителях при скоростях нагружения, отличных от стандартной 402

7.3.10 Испытания изделия опытной партии 405 Выводы по гладе 408

Основные выводы 410

Список литературы 414

Приложения 456

Введение

Актуальность. Железобетон в обозримом будущем останется одним из основных конструкционных строительных материалов, применение которого наиболее целесообразно в транспортном и энергетическом строительстве, сооружениях инженерно-экологических систем и в несущих конструкциях гражданских и промышленных зданий, т.е. в случаях повышенных требований к надежности конструкций, что предопределяет в дальнейшем повышение спроса на высокопрочные и высококачественные бетоны. За последние 25 лет максимальная прочность применяемых бетонов возросла более чем в 2.5 раза, что является общей тенденцией в мировой строительной практике. Применение прогрессивных методов строительства и рост объемов утилизируемых отходов различных отраслей промышленности при производстве вяжущих и бетонов обуславливают актуальность проблемы надежного прогнозирования стойкости и оперативного контроля качества при производстве различных видов бетонов.

В научных исследованиях и инженерной практике все шире используются методы исследований стойкости бетонов, арматуры, железобетонных конструкций и других материалов при различных видах воздействий, основанные на применении энергетических гипотез. В последние годы интенсивно разрабатываются методы оценки малоцикловой усталости бетона, уровня длительной прочности и меры ползучести, стойкости к циклическому замораживанию-оттаиванию на основе энергетических критериев. Энергетический подход предопределяет актуальность исследований общих закономерностей деформирования материалов и количественной оценки основных констант деформирования, используемых в уравнениях механического состояния, от рецептурно-технологических факторов.

В основу работы положена гипотеза о том, что целенаправленное регулирование собственных деформаций в процессе формирования структуры бетона обеспечивает повышение его стойкости к физическим воздействиям

внешней среды, а изучение основных закономерностей развития вынужденных деформаций бетона, существенно зависящих от предистории развития собственных деформаций, позволяет прогнозировать его стойкость к указанным воздействиям, при этом полагается, что количество энергии, необходимое для перехода структуры бетона в некоторое критическое состояние (разрушение), не зависит от вида разрушающего фактора и продолжительности воздействия, а является собственной характеристикой структуры, которая может быть определена, в зависимости от вида вызванного разрушающим фактором напряженно - деформированного состояния, посредством одного вида испытаний, в связи с чем возможно прогнозирование стойкости бетона при известной интенсивности различных физических воздействий на основе результатов оценки основных констант деформирования при кратковременном нагружении.

Работа выполнялась в соответствии с целевой комплексной программой О.Ц.031 Госкомитета СССР по науке и технике, государственной программой "Жилище - 2000" в 1988 - 1990 г.г., научно-технической программой Государственного Комитета РФ по высшему образованию "Строительство и архитектура" в 1992 - 1997 г.г. и в рамках конкурса грантов 1993-1994 и 1997-1998 г.г. "Фундаментальные проблемы в области архитектуры и строительных наук".

Целью работы является развитие научных представлений об общих закономерностях деформирования бетонов при кратковременном нагружении и разработка практических рекомендаций по их применению для прогнозирования и повышения стойкости бетонов и железобетонных конструкций при некоторых силовых и температурных воздействиях.

Для достижения цели необходимо:

1. Установить общие закономерности влияния рецептурно - технологических факторов на основные константы деформирования бетонов;

2. Установить зависимость стойкости бетонов при силовых и температурных воздействиях от показателей назначения бетонов и закономерностей их деформирования в этих условиях;

3. Разработать технологические способы и практические рекомендации по управлению деформатнвнымн свойствами бетонов; осуществить апробацию и промышленное внедрение результатов исследований.

Научная новизна. Развиты теоретические положения о возможности прогнозирования прочности неравновесно-деформируемых материалов в энергетической постановке с учетом режима и длительности нагружения. Доказана применимость гипотезы о постоянстве энергетического потенциала структуры бетона для прогнозирования предельного состояния при различной длительности силовых и температурных воздействий и их сочетании. Предложена методика и определен уровень допустимого нагружения бетона, подвергающегося циклическому замораживанию-оттаиванию в водонасы-щенном состоянии, в зависимости от коэффициента упругости и уровня длительной прочности.

Разработаны методологические основы исследования общих закономерностей деформирования бетонов при осевом нагружении. Дополнена математическая модель бетона - двухкомпонентной (матрица - заполнитель) системы для изучения деформаций бетона как трехкомпонентной (матрица -контактная зона - заполнитель) системы. Определены условия применимости двух или трехкомпонентной моделей в зависимости от соотношения модулей упругости крупного заполнителя и растворной матрицы. Установлены общие закономерности изменения основных констант деформирования бетонов от рецептурно - технологических факторов.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения стойкости бетонов при силовых и температурных воздействиях посредством направленного регулирования структурообразовання контактной зоны. Сформулированы технологические основы повышения микротвердости и однородности контактной зоны за счет регулирования

процессов внешней контракции введением расширяющих добавок сульфоа-люминатного и сульфоферритного типа в количестве соответственно 10 -12 % и б - 8 % , либо применением напрягающих цементов с малой энергией сам о напряжения.

Выявлены основные закономерности деформирования бетонов с компенсированной усадкой, на смешанных и вторичных заполнителях, а также высокопрочных бетонов. Сформулированы общие принципы построения нормативных диаграмм деформирования бетонов для применения при проектировании конструкций. Дополнены известные принципы обеспечения стойкости железобетонных конструкций при физических воздействиях внешней среды.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие граничной деформации бетона, характеризующей область устойчивого деформирования сечений и соответствующей предельному значению энергетического потенциала его структуры. Предложена методика расчета граничной деформации.

Получены значения основных констант деформирования (модуль упругости, коэффициент упругости, деформации, соответствующие пределу кратковременной прочности и границе устойчивого деформирования сечений) и энергетических характеристик трещиностоикости бетонов с компенсированной усадкой, на смешанных и вторичных заполнителях, а также высокопрочных бетонов классов до В135 включительно.

Получено соотношение между пределом прочности при осевом растяжении и растяжении при изгибе как функции основных констант деформирования бетона. Разработан метод определения момента сопротивления прямоугольных сечений изгибаемых элементов в упруго - пластической стадии с использованием основных констант деформирования бетона при сжатии и растяжении.

Практическая значимость. Разработаны способы определения уровня длительной прочности, меры ползучести, коэффициента динамического

упрочнения, морозостойкости и термоморозостойкости бетонов по результатам кратковременных испытаний осевым нагружением.

Предложены удобные для инженерной практики формулы для определения основных констант деформирования при кратковременном осевом на-гружении бетонов в зависимости от предела прочности и рецептурно-технологических факторов.

Развиты общие положения по определению нормативных и расчетных сопротивлений бетонов и построению нормативных диаграмм деформирования, практически реализованные для бетонов с компенсированной усадкой, высокопрочных бетонов классов до ВОЗ включительно, бетонов на смешанных и вторичных заполнителях, кровельных бетонов.

Реалшания результатов работы. Результаты исследований включены в нормативные документы : "Справочное пособие к СНиП 3.09.01 -85. Производство сборных железобетонных конструкций и изделий". - М.: Стройиздат,1990 г.; ТУ 65.601 - 88 "Кровельные изделия из керамзитобетона на напрягающем цементе для беспокровных крыш с теплым чердаком". -Минюгстрой СССР, 1988 г.; Республиканские строительные нормы РД 419-90 "Методика ускоренного определения морозостойкости бетона" - Совмин Чечено - Ингушской Республики (ЧИР), 1990 г; "Пособие по проектированию конструкций из напрягающего бетона" к СНБ "Конструкции бетонные и железобетонные. Нормы проектирования" - Министерство архитектуры и строительства республики Беларусь, 1998 г.

Разработаны : "Рекомендации по технологии изготовления и монтажа кровельных элементов беспокровных крыш с теплым чердаком" - Тула, КТИ, 1986 г.; альбомы рабочих чертежей конструктивного решения и кровельных элементов серий 92-021с, 92-022с, 92-023с крупнопанельных жилых зданий в составе зонального типового проекта серии 92с ЦНИИЭП жилища.

Производственное внедрение осуществлено: при серийном производстве панелей беспокровных крыш для жилых зданий серии 92с с теплым чердаком, возводимых ДСК Чечено - Ингушского Управления Строительства в

городах ЧИР, при устройстве монолитных беспокровных крыш на объектах в г.г. Грозном, Серноводске, Ростове-на-Дону, при производстве плит перекрытий ПК 63-12-6 с ненапрягаемой арматурой на КСМ-10 в Ростове-на-Дону, при оперативном контроле морозостойкости бе