ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ БЕТОНА И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ТОЧКИ

Рассмотренные особенности деформирования бетона вы­званы образованием и развитием микроразрушений [7]. Исследования [159, 189, 10, 156, 53, 55, ИЗ, 194, 125] поз­волили выявить некоторые закономерности этих процессов. Можно считать установленным, что микроразрушения, пе­реходящие затем в макроразрушения, определяют проч­ность бетона при разнообразных видах нагружения (одно­кратное статическое и динамическое нагружение, много­кратно повторяющаяся нагрузка, длительно действующая нагрузка) и особенности - деформирования на тех стадиях нагружения, когда эти процессы начинают развиваться [29, 17, 3].

Неоднородность структуры цементного камня и наличие водных пленок создают зоны ослабленных связей, с которых в последующем начинается разрыхление и разрушение структуры бетона. Начальные нарушения структуры могут и не развиваться под действием напряжений сжатия. Од­нако образование новых очаговых разрушений может при­водить к появлению микротрещин, развитых поверхностей разрушения и макроразрушений. Представляется необходи­мым ввести обобщенные параметры, характеризующие эти крайне сложные явления.

Для характеристики происходящих в структуре бетона изменений диаграмму сжатия (растяжения) бетона следует сопоставить с диаграммой состояний бетона. Диаграмма состояний может быть выражена кривой изменения вре­мени прохождения ультразвуковых колебаний в бетоне.

Как известно из теории ультразвука, скорость распро­странения ультразвуковых колебаний зависит от величины модуля упругости материала, но еще в большей степени она чувствительна к самым незначительным нарушениям струк­туры материала. Диаграмма состояний [15, 29] представ­ляется в виде кривой изменения времени прохождения ультразвукового импульса через образец в направлении, нормальном к оси образца, вдоль которой прикладывается нагрузка (см. рис. 7, б). Микроскопическими наблюдениями фиксируется развитие микроразрушений вдоль усилия сжатия.

Ультразвуковые колебания в продольном направлении распространяются с меньшими помехами. Замедление рас­пространения ультразвука свидетельствует об ухудшении акустических контактов и развивающихся нарушениях структуры.

Как следует из диаграммы состояний, в начальной ста­дии нагружения происходит разуплотнение, по-видимому, наименее устойчивых структур. Границе Rl на диаграмме состояний соответствует наименьшее время прохождения ультразвука через образец. На диаграмме наглядно видны процессы уплотнения материала (об этом свидетельствует уменьшение времени прохождения импульса), разуплот­нения, развития микроразрушений (выше границы #?) и последующего интенсивного развития микроразрушений структуры (после пересечения кривонос осью ординат). Пересечение кривой с осью ординат R т отражает сущест­венные изменения напряженного и деформированного со­стояний материала под нагрузкой. Может быть выделена граница когда микроразрушения начинают превали­ровать над процессами уплотнения.

Анализ объемного деформирования бетона при сжатии (основном виде сопротивления материала в конструкциях) и изменения величин модуля деформаций и дифференциаль­ного коэффициента поперечной деформации с нагрузкой показывает, что по диаграмме состояний бетона можно су­дить об изменениях указанных характеристик деформиро­вания. Можно наметить, по крайней мере, четыре области, разделяемые параметрическими точками.

Для начальной стадии нагружения с интенсивностью напряжений примерно до (0,1—0,15) Ruv характерно раз­витие необратимых деформаций бетона, низкие значения модуля упругости и падение величины дифференциального коэффициента поперечной дефорхмации (см. рис. 7, в), Который характеризуется

(11.5)

Дві

Где А єі — приращения продольной деформации на данной ступени приращения нагрузки Аст; А є2 — то же, поперечной деформации.

Более подробно об особенностях вычислений коэффи­циента поперечной деформации бетона при нагружении, поскольку это связано с оценкой особенностей протекаю­щих деформаций, отмечено в [17]. Для второй области ха­рактерно почти постоянное значение коэффициента попе­речной деформации и модуля упругости, близкого к изме­няющемуся модулю деформаций. На этой стадии образец уплотняется и соответственно уменьшается в объеме. При­ращение объема образца А0 = Аєі —2Ае2 остается прак­тически почти постоянным до границы Эта первая па­раметрическая точка процесса деформирования рассмат­ривается как граница микроразрушений [15]. На данном уровне напряжений начинается процесс микроразрушений, который сопровождается разуплотнением и разрыхлением материала.

При напряжениях выше границы R® дифференциальный коэффициент поперечной деформации начинает интенсивно увеличиваться. Величина А0 соответственно также умень­шается или этому предшествует скачок, что отражается и на кривой объемной деформации (см. рис. 7). К моменту появления второй параметрической точки Rl величина дифференциального коэффициента поперечной деформации Av достигает 0,5, что означает равенство величин объемных деформаций сжатия и расширения материала. На кривой суммарного изменения объема величине R? соответствует наибольшее уменьшение внешнего объема образца Д0 = 0. При этих уровнях напряжений микротрещины в цементном камне бетона удается фиксировать в световые микроскопы [7, 125]. Микроразрушения структуры превращаются в микротрещины в интервале от R? до RT. Вторая парамет­рическая точка R* не соответствует текучести в металле — это условная верхняя граница микротрещин. Процесс мо­нотонно развивается до этого уровня напряжений и выше него. Однако при более высоких напряжениях процесс раз­рушения структуры материала прогрессирует очень интен­сивно, и величина дифференциального коэффициента по­перечной деформации начинает стремительно увеличиваться (см. рис. 7, в).

Таким образом, кривые изменения объема 0, его прира­щений А0 и коэффициента Av под действием внешней на­грузки отражают характер изменения состояния структуры бетона.

Микроразрушение структуры бетона под нагрузкой не представляет собой процесс раскрытия микротрещин, пер­воначально образовавшихся в структуре бетона во время твердения бетонной смеси. Диаграмма состояний харак­теризует процессы уплотнения, разуплотнения и зарож - дениянмикроразрушений сложной неоднородной структуры бетона и развитие их под действием усилий. В некоторых работах [156] предполагалось, что микроразрушение бе­тона — это процесс раскрытия микротрещин, образовав­шихся на поверхности крупного заполнителя, так как прочность сцепления цементного камня с поверхностью заполнителя оказалась низкой, поскольку практически отсутствовало сцепление на участках микротрещин, об­разовавшихся при твердении бетона. Из более поздних американских^работ [125, 194] можно сделать вывод, что микротрещины на поверхности цементного камня с запол­нителем развиваются из-за пониженной прочности сцеп­ления гравия* и некоторых других крупных заполнителей. При надежном сцеплении микроразрушение начинается в процессе нагружения [39, 125]. На рис. 8 приведены ве­личина коэффициента поперечной деформации v (вычислен по полным величинам деформации) и величина объемной деформации из работы [1941. Из рис. 8 видно, что если в качестве заполнителя бетона используются материалы хоро­
шего качества и если сцепление зерен заполнителя с це­ментным камнем достаточно высокое, то по величине ко­эффициента поперечной деформации и наблюдавшейся на шлифах протяженности суммарной длины микротрещин (рис. 9) можно сделать вывод, что нарушение структуры бетона начинается на границе Суммарная величина

R

/

Раскрытия микротрещин существенно изменяется, начиная с границы R?. До уровня 7?? с гораздо меньшей интенсив­ностью (см. рис. 9) могут развиваться трещины на поверх­ности контакта заполнителя и цементного камня. В связи с этим отмечается относительное понижение уровней пара­метрических точек с увеличением количества песка и щебня в бетонной смеси [194]. Чем крупнее заполнитель и чем мень­ше прочность сцепления, тем ниже относительный уровень обеих параметрических точек, больше прирост объема и ко­эффициент поперечной деформации. На уровне R? резко
увеличиваются непрерывные по длине микротрещины с наклоном к направлению действия нагрузки.

Наблюдаемые закономерности изменения объема бетона при нагружении отмечаются также в исследованиях горных пород [83]. Поскольку прочность горных пород и соответ­ственно у зерен крупного заполнителя больше, процесс микроразрушений последних в условиях напряженного
бетонных призм происходит только от развития одной тре­щины или иногда двух, распространяющихся в направлении действия нагрузки сжатия. Такой результат был получен на образцах с мелким заполнителем (размеры поперечного сечения 7,5X7,5 см2). В образцах малых размеров дейст­вительно наблюдается разрушение от прорастания одной или двух вертикальных трещин, которые раскалывают об­разец [8].

Зависимость параметрических уровней и от различных факторов недостаточно исследована, хотя вы­явлено [13] влияние воздействия некоторых характеристик бетонной смеси и затвердевшего бетона (по данным В. И. Сыт - ника, основное влияние оказывает состав бетона, а не его прочность). За счет изменений состава бетона обнаруживает­ся зависимость параметрических уровней от прочности бе­тона в пределах 100—1000 кГ/см2, хотя не всегда резко выраженная в связи с влиянием дополнительных факторов. Для бетона на тяжелых заполнителях в достаточно зрелом возрасте (более 28 суток) эта связь может быть выражена в виде:

Я?/ЯЦр = 0,351g Rw—0,5; #ЖР-0,351§Япр-0,175.

(11.6)

Повышение рассматриваемых уровней границ с ростом прочности для центрифугированного бетона наблюдалось в опытах Н. П. Бурмистрова.

Применение более однородной смеси без крупных запол­нителей (например, в виде песчаного бетона) приводит к систематическому повышению границ параметрических то­чек. Увеличение количества крупного заполнителя по­нижает относительный уровень границы [194].

По данным [39], для бетонов на легких заполнителях из аглопорита эта зависимость также позволяет обнаружить систематическое повышение уровня параметрических точек. Это объясняется лучшим сцеплением цементного камня и растворной части бетона с пористым заполнителем. Для аглопоритобетона на пористом песке этот уровень еще вы­ше. Наложение какого-либо дополнительного поля на­пряжений, например от стесненной усадки, особенно при большой концентрации арматуры, приводит к понижению уровня R®, Что зафиксировано экспериментами [68, 131.

Уровни Rr и характеризующие определенные из­менения в структуре бетона, обусловлены физико-химиче-

Скимй процессами, протекающими в бетоне. Эти явления должны исследоваться в соответствии с принципами физико - химической механики [74]. В частности, протекающие в цементном камне во [времени процессы гидратации цемент­ных зерен отражаются на рассматриваемых границах. Как показывают наблюдения [16], уровень обеих границ по­вышается со временем у бетона в нагруженном и ненагру - женном состоянии. Даже у бетонов прочностью до 1000 кГ/см2, в которых рост прочности во времени незна­чителен, соответственно повышаются и параметры, харак­теризующие процессы разрыхления и нарушения струк­туры.

Изменение скорости подъема нагрузки отражается на наблюдаемых явлениях, поскольку процесс развития микро­разрушений зависит от времени. Тротт и Фокс установили, что с увеличением скорости подъема нагрузки уровень гра­ницы появления микротрещин повышается. В эксперимен­тах Ша и Чандра [194] скорость подъема нагрузки была высокой, так как испытание образца до разрушения про­должалось менее 5 мин. Это могло повлиять на уровень обеих параметрических точек.

Говоря об уровне обеих параметрических точек, не­обходимо отметить то обстоятельство, что при испытании бетонов в раннем возрасте ( особенно с использованием высокоактивных цементов) наблюдаются другие закономер­ности, в частности снижение параметра R° С увеличением прочности бетона или его стабилизация.