Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

НЕКОТОРЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Если работа от внешней нагрузки накапливается в материале в форме энергии, вызывающей однородное ис­кажение межатомных связей, тогда при удалении на­грузки со скоростью меньше частоты собственных коле­баний кристаллической решетки деформация исчезает почти мгновенно, она будет упругой, т. е. обратимой. В противоположность этому пластическая деформация может приводить как к разрывам, так и к образованию новых устойчивых межкристаллических связей. Посколь­ку в этом случае при снятии нагрузки сохраняется но­вая конфигурация атомов, деформация материала будет необратимой.

Пластическая деформация обычно проявляется при возрастании напряжения во всем деформируемом объе­
ме до критической величины. Ёсли при этом новые свя­зи в структуре материала не образуются, он разрушает­ся вследствие высоких концентраций напряжений вблизи трещин. Зарождение, докритическое подрастание и за - критический рост трещин определяются запасом упругой энергии, аккумулированной в межатомных связях крис­таллических решеток, и скоростью нагружения образца, т. е. скоростью подвода энергии к трещинам. В связи с этим при аккумуляции достаточно большой внутренней энергии скорости образования и распространение трещин могут быть настолько велики, что внезапное разделение напряженного материала на две части и более произой­дет без какой-либо поддающейся измерению неупругой деформации. Происходящее при этом хрупкое разруше­ние характеризуется минимальным поглощением подве­денной энергии и при скоростях деструкций, близких к скорости звука, в той же самой среде разрушение будет сопровождаться звуковым эффектом. Если запас упругой энергии в связях между элементарными частицами не­велик, разрушение материала будет вязким.

Хрупкое или вязкое разрушение бетона зависит от структурной микро - и макроплотности цементного кам­ня, предопределяющей степень аккумуляции упругой энергии в кристаллогидратных образованиях, а именно от сил связи между кристаллогидратными образования­ми. Наиболее явно вязкие свойства цементного камня проявляются при ион-дипольном взаимодействии и в меньшей мере, когда оно определяется ион-ионными свя­зями. Хрупкое разрушение материала обусловливается в основном ион-ионным взаимодействием.

Исходя из изложенных в пятой главе теоретических представлений можно сделать вывод, что при гигромет - рическом равновесии межкристаллические прослойки жидкости должны характеризоваться при обычных тем­пературах весьма большой вязкостью. Удаление несколь­ких молекул воды или групп ОН из этих прослоек ведет к образованию вакансий, и вязкость резко изменяется. Следовательно, величина вязкости зависит от степени неравновесности состояния прослоек жидкости; при про­никновении в нее молекул воды извне вязкость прослоек снижается. С наступлением равновесия дефекты в струк­туре прослоек под влиянием силовых полей, окружаю­щих кристаллогидраты, быстро исчезают и вязкость про­слоек резко возрастает. При деформировании, межкрис - таллинские прослойки жидкости участвуют в работе на­равне с твердой фазой, придавая цементному камню уп- руговязкие свойства.

Вследствие неодинаковой структурной плотности кристаллогидратов из-за наличия в них дефектов (вакан­сий) и различной ориентации связей, направленных как нормально к действию внешних сил, так и под любым уг­лом к ним, каждый из микроструктурных элементов мо­жет иметь произвольный уровень энергии взаимодейст­вия.

Если к такой системе приложить сжимающую нагруз­ку определенной величины, некоторая часть связей упо­рядочится, система уплотнится, одновременно возрастут силы взаимодействия между кристаллогидратными паке­тами, повысится прочность и упругая часть деформации цементного камня. С ростом внешней нагрузки, которую продолжает воспринимать вязкий элемент, в пакетах воз­никнут деформации из-за псевдовязкого течения меж­кристаллической жидкости. В этом случае цементный камень будет претерпевать деформации, способствующие ослаблению сил сцепления и возникновению растягиваю­щих напряжений в направлении, перпендикулярном к плоскости приложения внешней нагрузки. В контактах между макроструктурными элементами (кристаллогид­ратными пакетами), т. е. в местах, ослабленных порами и прочими технологическими дефектами, создаются оча­ги концентрации напряжений, которые, достигнув опре­деленной величины (выше предела прочности связей), вызовут лавинное микротрещинообразование и, как след­ствие этого, разрушение материала от поперечного от­рыва.

Поскольку природа вязкоупругих и пластических де­формаций цементного камня определяется псевдовязки­ми свойствами прослоек жидкости, связь «напряжение— деформация» выражается нелинейной зависимостью. При этом развитие пластических деформаций с ростом внеш­ней нагрузки происходит в основном в результате интен­сивного трещинообразования, приводящего в рассмотрен­ных выше условиях к хрупкому разрушению цементного камня.

Особенности микроструктуры цементного камня обу­словливают его анизотропные механические свойства. При сжатии силы сцепления в ориентированных крис - таллогидратных пакетах возрастают, однако из-за по­Перечных деформаций, возникающих ё ййх (при опреде­Ленной нагрузке), прочность связей снижается и это ограничивает несущую способность материала. При осе­вом растяжении расстояния между взаимодействующими элементами в кристалдогидратных пакетах увеличивают­ся и интенсивность сил сцепления быстро убывает. Этим и объясняется, что предел прочности цементного камня при растяжении во много раз меньше, чем при сжатии. Из-за концентрации напряжений в контактах между от­дельными микроструктурными элементами, наличия пор и дефектов прочность связей в них снижается под влия­нием внешней нагрузки в большей мере, чем в кристал - логидратных пакетах. При наличии пор или других де­фектов целые группы атомов в кристаллогидратных образованиях не взаимодействуют друг с другом. В ре­зультате разрыва сплошности силовые потоки распреде­ляются между отдельными связями весьма неравномер­но, и это вызывает концентрацию напряжения в отдель­ных связях, граничащих с участками нарушенной сплошности, поэтому влияние вакансий, пор и трещин более существенно, чем искажений кристаллической ре­шетки. Атомы, расположенные на поверхности кристал­логидратов и в прослойках между ними, имеют только односторонние связи, что повышает их подвижность и вызывает термодинамическую неустойчивость. При сме­щении атомов из равновесного положения создается не - равнопрочность отдельных связей, что приводит к раз­рыву слабых связей, перераспределению усилий и разры­ву более прочных связей.

Пропитка горных пород водой сильно понижает мо­дуль упругости, что особенно явно проявляется на по­ристых породах. Молекула воды, проникая в процессе деформации по плоскостям скольжения, резко изменяет характер сил межкристаллического взаимодействия, спо­собствует появлению в каменных материалах свойств, ранее практически отсутствовавших.

Если поры материала заполнены водой, то в началь­ный период нагружения большую часть внешней нагруз­ки воспринимает вода вследствие ее несжимаемости и отсутствия оттока из поровых пространств (система нейт­ральных давлений). Внешняя сжимающая нагрузка вы­зывает расклинивающее действие воды, которое препят­ствует развитию продольных и в то же время способству­ет росту поперечных деформаций, поскольку в этом направлении действие воды воспринимается только стен­ками пор. С увеличением внешней нагрузки возрастает гидростатическое давление воды; происходит ее проника­ние в «закрытые» поры и в полости с защемленным воз­духом, в связи с чем возрастает количество эффективных пор (капилляров), насыщенных водой.

Этот процесс сопровождается сплющиванием пор, развитием продольных и поперечных деформаций, при­чем последних в большей мере, поскольку возрастает расклинивающее действие воды в этом направлении. Это выражается изломом линий продольных деформаций на диаграммах «а—е», а также ростом их по прямолиней­ной зависимости и малым различием между упругими и полными деформациями почти до разрушения образца [150]. Отсюда следует, что в водонасыщенном состоянии бетону присущи псевдоупругие свойства, которые исче­зают при испарении влаги.

Механическую модель, отражающую неоднородную деформативность структуры цементного камня и учиты­вающую влияние перечисленных выше дефектов, прису­щих межатомным силам взаимодействия и кристаллогид - ратным образованиям, можно изобразить в виде двух­слойных дисков, соединенных между собой связями с вязкоупругими свойствами [13].

На рис. 11.1 связи А имитируют силы взаимодействия между кристаллогидратными образованиями, а С и С2 Соответствуют контактным взаимодействиям между от­дельными структурными элементами, ослабленными кон­центрацией напряжений, т. е. А >С и С2.

В момент приложения внешней нагрузки в структур­ных элементах (дисках) возникнут неодинаковые по ве­личине и направлению сдвиги, вызывающие смещения и повороты дисков относительно друг друга. Одновремен­но в связях С и С2 создается напряженное состояние, которое при определенных условиях приведет сначала к локальным нарушениям, а затем к их разрыву.

При одноосном сжатии (рис. 11.1, а) приложенная нагрузка вызовет начальное упругое обжатие пружин Л, в связи с чем объем всей системы несколько уменьшит­ся. С увеличением нагрузки станет изменяться ориента­ция дисков, объем системы восстановится, а затем уве­личится. Вместе с этим в одних связях С или С2 возник­нут упругие деформации растяжения, а в других — сжатия. Вследствие медленного накопления подведенной упругой энергии в связях Л, С и С2 в начальной стадии

Деформирования и последующей почти мгновенной раз­рядки упругой энергии (после достижения некоторого критического потенциала) кристаллогидратные образо­вания придут в колебательное состояние и возбудят ос­цилляцию дисков в режиме спектра собственных частот колебаний пропорционально их массам. Эти релаксаци­онные[19] колебания будут затухать по мере развития пла­стических деформаций связей С и Сг, и при разрыве од­них из них колебания соответствующих дисков пре­кратятся, наступит стадия необратимых деформаций, характеризующаяся разрывами остальных одиночных связей С или Сг, т. е. интенсивным образованием и рос­том трещин в цементном камне. Анализ работы модели показывает, что при осевом сжатии процесс разрушения цементного камня (бетона) и других каменных материа­лов проходит четыре стадии, отмеченные также в работе

[32].

При наличии сил трения, действующих по торцам об­разца, восстанавливающие силы, препятствующие сме­щениям и поворотам дисков, возрастают, а деформации структурных связей и амплитуды релаксационных коле­баний уменьшаются. В результате сопротивление систе­мы действию сжимающей нагрузки возрастает, посколь­ку структурные связи нарушаются и разрываются при большей нагрузке, чем в отсутствие сил трения.

Влияние «эффекта обоймы» наиболее сильно прояв­ляется при трехосном сжатии, так как это напряженное
состояние способствует столь значительному увеличению влияния восстанавливающих сил (упорядочению микро­структуры), что теоретически невозможно разрушить ма­териал. Тем не менее, как и при наличии внешнего тре­ния, нарушение целостности системы все же происходит вследствие малых смещений дисков, вызывающих срез связей С и и явлений скольжения и двойникования, приводящих к смещениям отдельных частей дисков от­носительно друг друга. Отсюда следует, что любой спо­соб, предотвращающий смещение структурных элемен­тов материала до критической величины, способствует повышению его прочности при сжатии (например, бетон в стальной обойме, колонны с предварительно-напряжен­ной спиральной арматурой и т. п.).

Идеальные твердые тела нельзя разрушить сжи­мающей нагрузкой, так как в этом случае силы взаимо­действия между элементарными частицами бесконечно возрастают. Из-за несовершенства структур реальных тел (материалов) в них возникают очаги концентрации напряжений и это приводит к тому, что фактическая энергия, необходимая для разрушения, составляет вели­чину, во много раз меньшую, чем теоретическая. Напри­мер, теоретическая прочность (силы сцепления) в иде­альном кристалле определяется зависимостью ас=£'/2я, где Е — модуль упругости. Точнее, межатомные силы сцепления в большинстве материалов оцениваются в пределах от 0,05 до 0,1 Е, что близко совпадает с теоре­тической прочностью цементного камня 1370 МПа при практически нулевой пористости [74]. При пористости, равной 0,04, прочность цементного камня может дости­гать 400 МПа, что примерно соответствует граниту и базальту. Прочность цементного камня, приближающая­ся к указанной величине, достигается при кольматации его пор полимерами. В этом случае в процессе заполне­ния пор мономером под давлением и последующего его отверждения создается более упорядоченная (плотная) кристаллогидратная структура и образуются дополни­тельные высокопрочные связи между отдельными эле­ментами (дисками), препятствующими их смещениям и воспринимающими внешнюю сжимающую нагрузку. Это придает материалу большую прочность и обусловливает хрупкое разрушение вследствие мгновенного высвобож­дения значительного запаса потенциальной упругой энергии.

О 0,25 0,5 0,75 1 <£>г! б1 0 0,1 Ot2 Q3 Qfi 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9' RejRp

Рис. 11.2. Влияние сложного нагружения на прочность бетона

А —при двухосном сжатии: / — на базальтовом щебне; 2 — на литоидной пем­зе; б — при одновременном сжатии и растяжении; 1 — по формуле Мора; 2 —

R

По зависимости «/ = 1—0,12 —-——0,88------------------

Яр Rl

При двухосном сжатии влияние восстанавливающих сил повышается в направлениях, противоположных дей­ствию внешних нагрузок, поэтому материал должен раз­рушаться по одному или двум сечениям, параллельным незагруженным граням образца. Результаты экспери­ментальных исследований, приведенные в работе [132], показывают, что при двухосном сжатии R" прочность бетона по сравнению с одноосным сжатием R/ повыша­ется от 20 до 35% при соотношении a2/cri = 0,5 и с увели­чением его до 1, R"ttR' (рис. 11.2, а). Отмечается, что увеличение R" бетона зависит от прочности цементного камня и вида заполнителя.

При одноосном растяжении (см. рис. 11.1,6) проти­водействие восстанавливающих сил невелико, так как направления деформаций связей Л, Сi и С2 совпадают с направлением приложенной нагрузки, поэтому разруше­ние системы от разрыва связей Сi и С2 наступает при значительно меньшей нагрузке, чем при сжатии.

В случае двухосного растяжения (см. рис. 11.1, б) восстанавливающие силы не возникают и сопротивление внешним нагрузкам оказывают только связи С и С2. Следовательно, разрушение системы от разрыва связей должно наступить при меньшей нагрузке, чем при одно­осном растяжении. Предел прочности системы при двух­осном растяжении Rp зависит от соотношения величин нагрузок в обоих направлениях. При равенстве нагрузок

Rp характеризуется минимальным значением равным, согласно данным работы [66], — 0,55R'p. С уменьшени­ем растягивающей нагрузки в одном направлении Rp возрастает до R Р.

Если модель с одной стороны растянута /?р, а с дру­гой стороны сжата Rc, слабое влияние восстанавливаю­щих сил в плоскости действия сжимающей нагрузки не будет в состоянии противодействовать разрывам связей С и С2 в сечении, перпендикулярном к растягивающей нагрузке. В этом случае разрушение произойдет в ре­зультате наложения растягивающих напряжений от по­перечной сжимающей и продольной растягивающей нагрузок. Следовательно, при растяжении со сжатием Яре прочность материала окажется ниже, чем при одном осевом растяжении. К тому же с увеличением величины. поперечного обжатия прочность при осевом растяжении будет уменьшаться. В качестве иллюстрации могут слу­жить экспериментальные данные на рис. 11.2,6 [138].

На основании качественного анализа реакций модели цементного камня на внешние нагрузки можно заклю­чить, что механизм деформирования и разрушения при различных напряженных состояниях заключается в раз­рыве межатомных (ионных) связей, скрепляющих кри - сталлогидратные образования. Прочность и деформаци­онные свойства цементного камня предопределяются прочностью связей в кристаллогидратных комплексах и плотностью их упаковки в занимаемом объеме, упруго­стью и прочностью контактов между структурными со­ставляющими, количеством и сечением пор (дефектов), а также восстанавливающей силой, возникающей под действием внешней нагрузки вследствие релаксационных колебаний и смещений ( сдвигов) микро - и макрострук - турных элементов.

При прочих равных условиях основное влияние на де­структивные явления оказывают прочность связей, поры и дефекты в цементном камне, так как с ростом прочно­сти связей и уменьшением пористости в нем аккумулиру­ется больше упругой энергии и снижаются пластиче­ские свойства. В результате повышается однородность, прочность и хрупкость цементного камня, что достига­ется, например, в прессованном цементном камне и це - ментнополимерных композициях.

Таким образом, новообразования вокруг цементного ядра являются как бы естественным его продолжением. Механические характеристики такого комплекса изменя­ются постепенно от максимальных в самом ядре до ми­нимальных в гидратированной части. Поскольку связь между цементными ядрами осуществляется спайкой кри- сталлогидратных каемок, то величина сцепления дости­гает такого же порядка, что и прочность новообразова­ний при растяжении.

Разрушение цементного камня происходит в результа­те концентрации напряжений в зонах, где градиент внеш­них сил вызывает пик усилий, обусловленный различием деформативных свойств составляющих, их взаимораспо­ложением, формой и объемным содержанием, наличием капиллярных и внутрикристаллогидратных пор (объем последних 15—25%).

Вокруг пор могут возникать пики напряжений, пре­вышающие средние напряжения в 1,7—3 раза [58, 59]. При наиболее невыгодном сочетании мест концентрации напряжений в кристаллогидратных образованиях созда­ются очаги перенапряжений, превосходящие прочность субмикрокристаллического элемента, который разруша­ется, перераспределяя напряжения на соседние элемен­ты. Этот процесс носит динамический характер и сопро­вождается ударной волной. Когда трещина встречает на своем пути цементные ядра, она изменяет свою ориента­цию по отношению к градиенту действующего в матери­але поля напряжений и максимум концентрации переме­шается в другую зону структуры цементного камня. Ес­ли нагрузка на образец не превышает некоторого преде­ла, способного вызвать образование трещин в данном микрообъеме образца, критическом для его прочности, то процесс будет затухающим. В противном случае он будет носить лавинообразный характер, приводящий к полному разрушению и разделению образца на части. Благодаря особенностям структуры цементного камня наиболее слабым его звеном является материал новооб­разований, особенно вблизи структурных пор. Например, прочность новообразований при ион-дипольных связях составляет около 180 МПа, а цементных частиц (ядер) — более 500 МПа,