Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА

Бетон является сложным гетерогенным материалом, поведение которого под нагрузкой можно рассматривать как поведение двухкомпонентной системы: на макро­уровне— «заполнитель — раствор» и мезоуровне — «за­полнитель — цементный камень».

Вследствие различия в физико-механических свойст­вах составляющих бетона в процессе твердения, цемент­ного геля возникает внутреннее поле напряжений, рас­пределение которых не подчиняется законам сплошных сред. Значительное влияние на неоднородность поля на­пряжений оказывают форма, рельеф и чистота поверх­ности зерен заполнителя, гранулометрический состав и содержание его в бетоне. В связи с этим прочность сцепления заполнителя с цементным камнем существен­но влияет на прочность бетона; она составляет 50—65% предела его прочности при растяжении, зависит от рель­ефа поверхности зерен заполнителя и содержания воды в цементном геле.

При исследовании структуры цементного камня как сплошной среды, в которую вкраплены шарообразные тела различной плотности (от гранита до воздуха), оп­ределено [58], что вблизи малых неоднородностей, рас­положенных на границе с большими неоднородностями, локальные напряжения могут превосходить в 9 раз сжи­мающие. При низком пределе прочности материала он может разрушиться одновременно от разрыва в направ­лении приложения внешней нагрузки и раздробления перемычек между порами (пустотами) в направлении, перпендикулярном к действию нагрузки. Поэтому мате­риал с порами разного размера менее прочен, чем с по­рами одного размера.

Как следует из исследований на модели (см. рис. 11.1), процесс микроразрушений цементного камня про­ходит через две стадии, выражающиеся уплотнением и разуплотнением его микроструктуры. Аналогичным об­разом происходит деструкция мелкозернистого (песчано­го) бетона, являющегося относительно более однород­ным материалом, чем бетон с крупным заполнителем.

Крупный заполнитель кардинально изменяет ки­нетику микроразрушений бетона. Если мысленно внести в модель, изображенную на рис. 11.1, включе­ния, имитирующие зерна крупного заполнителя, тогда между ними и двухслойными дисками следует помес­тить силы связи сцепления С3, меньшие по величине, чем С и С2. При таком дополнении модели под влия­нием внешней сжимающей нагрузки процесс микротре- щинообразования бетона будет характеризоваться че­тырьмя стадиями.

На первой стадии (при начальном нагружении) про­изойдет уплотнение кристаллогидратной структуры цементного камня и по мере роста уровня обжатия воз­никнут градиенты напряжения в контактных связях С3, которые приведут к их разрыву, т. е. к образованию мик­роразрушений в этих зонах и нарушению сцепления меж­ду ними (вторая стадия). Включения, лишенные связей сцепления, с дальнейшим увеличением внешней нагрузки будут сминать прослойки цементного камня (разделяю­щие включения), т. е. произойдет кажущееся его уплот­нение за счет разрушения стенок пор (третья стадия). Эта стадия деструкции является подготовительной, спо­собствующей наступлению прогрессирующего процесса разуплотнения всей системы (четвертая стадия), веду­щего к разрушению структуры цементного камня и отде­лению от него в первую очередь более крупных включе­ний.

Поведение модели при сжатии согласуется с резуль­татами исследований кинетики разрушения бетона [33, 44, 71, 114] и подтверждает правильность высказанного положения о том, что стадиям разрушения бетона всегда предшествует стадия уплотнения. Это положение устра­няет известные противоречия, при которых считают, что процесс разуплотнения бетона должен происходить в пе­риод продолжающегося уменьшения его объема при сжатии.

При исследовании шлифов бетона обнаружено [164], что даже перед его разрушением в крупном высокопроч­ном заполнителе трещин мало и они не влияют на проч­ность конгломератного материала. Зерна заполнителя обычно разрушаются после образования сети трещин в цементном камне. Трещины сцепления возникают еще в процессе усадки цементного камня, т. е. до нагружения бетона преимущественно в контактах с крупными зерна­
ми заполнителя, на по­верхности которых на­блюдается большое скоп­ление пузырьков воздуха. Под нагрузкой трещины сцепления прогрессируют, одновременно они появ­ляются в прослойках це­ментного камня между зернами заполнителя, и при их объединении в об­щую систему с определен­ной ориентацией по отно­шению к приложенной на­грузке бетон разрушается.

Влияние зерен крупного заполнителя на кинетику микроразрушений бетона может сказаться различно, так как это зависит от соотношения прочностей и модулей упругости цементного камня RK, Ек и заполнителя RK3, Екз. При достаточно высоких значениях /?к, RK^RK и ЕКЗ>ЕК разрушение бетона может происходить как от раскалывания заполнителя и разрыва цементного камня, так и вследствие нарушения сцепления между ними (бе­тон на плотном заполнителе). Если же RK^>RK3 и Ек> >ЕКЗ, то разрушение произойдет в результате раздроб­ления зерен заполнителя и раскалывания цементного камня (легкие бетоны на пористом заполнителе). Эти деструктивные процессы могут проявляться раздельно в определенной последовательности или одновременно в зависимости от деформативных и механических свойств составляющих.

Уровень напряжения соответствующий началу образования микротрещин, характеризует предельное со­стояние структуры бетона при определенных деформа­тивных и прочностных свойствах [32]. Из рис. 11.3 сле­дует, что Rr соответствует максимальному уменьшению объема образца бетона, обусловленного сжатием кри­сталлогидратных образований. С увеличением нагрузки деструкция материала прогрессирует и при восстановле­нии его объема до первоначальной величины (AQ=0) процесс возникновения микротрещин достигает глобаль­ного развития при некотором уровне напряжения R характеризующем верхнюю условную границу микротре-
щинообразования (по существу, предел прочности бе­тона) .

Связующим звеном между пределом упругости и на­чалом процесса образования трещин может служить

Структурный коэффициент бетона K=f (Is, ~ ), ко-

Ек Уб /

Торый предопределяет влияние как бы наследственных факторов на предельные напряжения при трещинообра - зовании. С увеличением относительного количества круп­ного заполнителя УКз (в долях единицы) значение /?т° снижается вследствие больших деформаций, возникаю­щих в прослойках цементного камня, поэтому i?? зави­сит от состава бетона.

Отношение RTIRTw Для образцов раствора выше, чем для бетона на том же растворе, и в этом случае RT/RHР бетона может отражать влияние параметров /Гкз/^рс и Укз/Уб на уровень напряжения, при котором начинает­ся микротрещинообразование. В связи с изложенным суммарный коэффициент концентрации напряжения /Сс= (Кр+/С), где Кр — коэффициент концентрации от

D

Усадки, может быть определен как отношение др0рас,

Из табл. 11.2 видно, что с уменьшением RR — коэф­фициента раздвижки щебня (отношение объема раство­ра к объему пустот в щебне), значения Кс возрастают, a RVRUv снижаются, т. е. увеличение содержания щебня ускоряет начало образования трещин.

Для оценки внутреннего поля напряжения структуры бетона при сжатии может быть использована его анало­говая модель, состоящая из матрицы — растворной части и равномерно распределенных по всему ее объему вклю - /257 Рис. 11.4. Распределение напряжений

А — на позерхности раздела «матрица — включение»; б — зависимость KА

От -----------

-РС

А)

Чений сферической формы, одинакового диаметра, ими­тирующих зерна крупного наполнителя. На основании такой модели показано [23], что если модуль упругости включения Екз=оо, то при одноосном сжатии на сфери­ческой границе раздела «матрица — включение»: нор­мальные ад, тангенциальные ае и касательные тд0 на - пряжения могут быть при р, п=0,2 выражены уравнени­ями:

= 6ср О + Cos 2е>; бе = °>258ср (1 + cos 2е);

^e = Scpsin2e, (11.9)

Где сгСР — среднее сжимающее напряжение; 9 — сферическая коор­дината.

Значения радиальных напряжений для большого диа­пазона соотношений ЕКз/ЕрС при условии, что ЕКз^Ерс и IXп = 0,2, можно определить зависимостью

Екз

РЕр9 (1 + cos28). (11.10)

"f52" +1

Согласно формуле (11.10), коэффициент концентра­ции нормальных напряжений 7(с=(ГктахМр приближа-

Ется к 2 по мере роста —— от 1 до оо (рис. 11.4, б). При

£рс

Этом наиболее существенное увеличение Ка достигается при условии

^рс

Изменение формы включения от сферической к куби­ческой способствует неограниченному увеличению Да. График KQИ концентрации касательных напряжений

Кх = toemax/ffcp (рис. 11.5, а) свидетельствуют о резком увеличении К0 при значении углового радиуса г^0,2В (где В — длина ребра куба) и зависимости Кт от г на всем интервале уменьшения г/В. Крупность включений также влияет на концентрацию напряжений. Увеличение высоты ребра Л прямоугольного параллелепипеда (рис. 11.5,6) вызывает линейный рост Ко, если ЕКз/Ерс = оо. При Екз/Ерс=4 значение Ко медленно возрастает с уве­личением Л/В, а затем при Л/В >1,4, остается постоян­ным. Аналогично изменяется Ко, если Ек. з/Ерс = 8; в этом случае характерная точка, после которой /Саимеет посто­янные значения, соответствует Л/В~ 1,6. Если упругие свойства составляющих идентичны, то задача упрощает­ся, так как мы уже имеем дело с однородным изотроп­ным твердым телом, к которому приложена равномерно распределенная сжимающая нагрузка: здесь KG= 1 не­зависимо от Л/В.

Слабым звеном в системе «матрица — включение» является поверхность их раздела, где образуются микро­трещины, нарушающие сцепление двух составляющих. Микротрещинообразование обусловлено наличием растя­гивающих напряжений в экваториальной полости вклю­чений, близких по значениям к пределу прочности при растяжении растворной части (матрицы). Если эти на­пряжения принять за критерий начала микроразрушений бетона, нормальное напряжение растяжения aRp можно выразить зависимостью:

АЛр==-0,186асракз. (11.11)

Коэффициент аКЗ учитывает взаимодействие заполните­лей и растворной части при различных относительных объемных содержаниях и модульных соотношениях со­ставляющих бетона. При соблюдении граничных условий

^ 1 аКз> тхг (где К= ; GK3 и Gpc — модули

Е рс A-f-1 Сгрс

Сдвига заполнителя и растворной части) и УКз=0, коэф­фициент аК.з может быть выражен в виде

«КЗ = __________ -РС (11.12)

Екз

Р (1 + 2VK3)

После подстановки (11.12) в выражение (11.11) полу­чим:

% =-М22аср-------------- Рс-------------

V-

Ьрс

Заменив аДрна RP— предел прочности бетона при рас­тяжении, а (Тер на будем иметь:

R°T =—2,81? ------ f-------------- . (11.13)

Ькз у

С икз Ьрс

Как следует из табл. 11.3, с увеличением содержания крупного заполнителя Rp сначала возрастает до некото­рого предела, соответствующего оптимальному насыще­нию бетона заполнителем, а затем снижается. Формула (11.13) не учитывает в явном виде влияние формы за­полнителя; эту функцию выполняет RPl хотя для реаль-

Ных соотношений составляющих бетона-влияние формы невелико.

Предел прочности бетона оптимальных составов при растяжении может быть определен по известной эмпири­ческой зависимости: ___

= СР V&cx * (И-14)

Для бетона марок 300 и более Ср=0,375, а при более высоких марках Ср=0,278.

Удовлетворительное согласование расчетных значе­ний с экспериментальными данными (см. табл. 11.3) свидетельствует о применимости формулы (11.13) для определения R° еще на стадии расчета состава бетона путем подбора его составляющих по их механическим и деформативным свойствам.

Формулу (11.13) можно использовать при определе­нии R? для легкого и песчаного бетонов. В последнем случае вместо Vm и в формулу (11.13) должны

£рс

£

Быть подставлены значения —— ; Умз — содержание в

Растворе песка и R$K — прочность цементного камня при растяжении. Исследования прочности и деформаций аглопоритобетона на кварцевом песке показали, что с уменьшением ВЩ цементного геля в 1,45 раза R° воз­росла в 1,22 раза. Повторное вибрирование через 30 мин после первичного уплотнения бетонной смеси повысило

R° на 24%, а увеличение расхода цемента с 306 до 580 кг/м3 способствовало росту R° на 60% при практи­чески неизменном отношении R°JRnР. При прочих рав­ных условиях аглопоритобетон характеризуется более высокими значениями R°, чем бетон на плотном щебне вследствие более высокой прочности цементного камня в первом случае.