Прочность бетона и его разрушение под влиянием внешних и внутренних факторов

Прочность - свойство материалов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Мерой прочности является предел прочности - максимальное напряжение, при котором имеет место разрушение образцов бетона или элементов конструкций. Прочность бетона зависит от вида напряженного состояния (сжатия, растяжения, изгиба и др. или совместного влияния нескольких воздействий, т.е. сложного напряженного состояния). Важное значение имеет также характер нагрузки (кратковременная, длительная, повторно-переменная, ударная и др.).
Существующие теории прочности бетона разделяют на три группы: феноменологические, статистические и структурные. Феноменологические теории рассматривают бетон как однородное изотропное упругое тело. Главное внимание в феноменологических теориях уделяется зависимости прочности от внешних нагрузок, они устанавливают законы, по которым можно судить о начале разрушения материала при сложном напряженном состоянии, если известно поведение при простом растяжении, сжатии или сдвиге. Старейшей из классических феноменологических теорий прочности материалов является теория максимальных напряжений (теория Галилея и Ранкина), согласно которой критерием прочности является максимальное напряжение.
Второй теорией прочности является теория максимальных деформаций (теория Мариотта, Сен-Венана), в соответствии с которой текучесть материалов начинается, когда достигается максимальное относительное удлинение. Вторая теория основана на гипотезе, что причиной разрушения материала являются наибольшие линейные деформации в наиболее опасной точке.
Третья теория прочности - теория максимальных касательных напряжений (теория Кулона, Мора и др.), в соответствии с которой разрушение происходит при достижении предельных касательных напряжений либо наибольших нормальных растягивающих напряжений.
Предложен и ряд других феноменологических теорий (гипотез) прочности, однако с помощью математических представлений, развитых для изотропных упругих тел, не удается в достаточной мере объяснить физические явления в сложном капиллярно-пористом неоднородном материале, каковым является бетон.
Феноменологические теории прочности не могут объяснить явления, обусловленные внутренними процессами, протекающими в бетоне (деформации усадки и набухания, контракция, экзотермия и др.). играющими большую роль в прочности и суммарных деформациях. Применение феноменологических теорий прочности возможно применительно к бетону лишь в отдельных случаях при определенных ограничительных условиях. Например, при испытании бетонных образцов, когда их торцы смазаны парафином и на их поверхности практически не возникают силы трения, разрушение вызывается образованием трещин, параллельных сжимающему усилию, что объясняется согласно второй теории прочности тем, что линейные деформации в направлении, перпендикулярном оси образца, достигают наибольших значений.
Согласно статист и чес ким теориям также предполагается существование в бетоне непрерывной изотропной среды, в которой возможны отдельные пустоты и микротрещины, подчиняющиеся статистическим законам. Эти теории позволяют объяснить громадное различие между теоретической и фактической прочностью, определяемое дефектами структуры вещества, без рассмотрения самой структуры.
Борн и Лауэ показали, что теоретическая прочность веществ, рассчитанная с учетом числа и прочности химических связей между атомами, в сотни раз превышает их техническую прочность.
Впервые Гриффите, изучая поведение при растяжении стеклянных нитей с уменьшением их диаметра, объяснил установленный эффект повышения прочности уменьшением количества микротрещин. По Гриффитсу наличие трещин ведет к концентрации напряжений в материале под нагрузкой. Коэффициент концентрации напряжений можно рассчитать по формуле:
где l - длина трещины, идущей от поверхности, или полудлина внутренней эллиптической трещины; R - радиус конца трещины.
Чем больше размеры элемента, тем больше влияние дефектов структуры и тем ниже прочность. Этот вывод подтверждается и при испытании на прочность образцов различных размеров. Статистические теории, позволяя решать задачи в основном на влияние масштабного фактора, также, как и феноменологические, не могут объяснить влияние на прочность бетона многих технологических факторов, которые не приводят к образованию трещин, но существенно изменяют напряженное состояние материала.
Развитие структурной теории прочности бетона началось в конце XIX столетия после установления Р. Фере зависимости прочности бетона от относительной плотности цементного теста, модифицированной позднее Т.К. Пауэрсом с учетом степени гидратации цемента по мере его твердения. Зависимость Р. Фере стала основой для разработки Д. Абрамсом закона (правила) водоцементного отношения - основополагающей закономерности, используемой до настоящего времени при расчетно-экспериментальном проектировании составов бетона.
По Пауэрсу, прочность при сжатии образцов различного возраста из цементного камня, приготовленных при различном водоцементном отношении и твердевших в нормальных температурных условиях, соответствует эмпирическому уравнению:
R = АХП,
где X - отношение объема цементного геля к сумме объемов геля и капиллярного пространства; А - коэффициент, характеризующий прочность цементного геля; n- константа, которая в зависимости от характеристики цемента составляет от 2,6 до 3.
Параметр X можно рассматривать как относительную плотность цементного камня. Представляя зависимость через пористость П, можно записать:
R= А(1-П)П.
Наличие пор и трещин - неотъемлемая особенность строения бетона. В качестве трещин при определенном масштабном уровне могут приниматься капиллярные и другие поры.
Дефекты структуры и прежде всего трещины цементного камня и бетона можно разделить на технологические (или наследственные) и эксплуатационные (по В.Н. Выровому и В.С. Дорофееву).
К первым относят дефекты, образованные при технологической переработке материала. Эксплуатационные дефекты образуются под влиянием эксплуатационных нагрузок. Каждый вид дефектов проходит определенную эволюцию от зарождения до превращения в необратимо развивающуюся трещину.
Полиструктурность бетонов оказывает влияние на работу конструкций при нагрузке. При различных уровнях нагружения поведение бетонов различно. При малых уровнях нагрузки преобладают процессы, связанные с перераспределением усилий, обусловленных технологическими факторами и концентрацией напряжений от внешних воздействий. Эти процессы приводят к переходу технологических микродефектов в эксплуатационные. На средних уровнях нагружения поведение бетона характеризуется взаимодействием и развитием дефектов, объединением их. При нагрузках, близких к разрушающим, основную роль играет перераспределение усилий в конструкции, трансформация микротрещин в магистральные макротрещины.
Зарождение трещин связывают, как правило, с перемещением и видоизменением дислокаций в кристаллических решетках. Для гетерогенного материала, каковым является бетон, на зарождение трещин определяющее влияние имеют объемные деформации, различие температурных и влажностных деформаций отдельных компонентов, стесненные деформационные эффекты, седиментационные явления, температурные и влажностные градиенты, осмотические явления, коррозионные воздействия среды эксплуатации.
Процесс разрушения бетона может рассматриваться как развитие трещин, возникающих обычно по контакту матрицы (цементный камень) и заполнителя при изготовлении и твердении бетона до их слияния в сквозные трещины. Когда прочность заполнителя не превышает прочности матрицы, трещины могут распространяться и в зерна заполнителей.
Исследования, выполненные Ю.М. Баженовым, А.Ф. Щуровым и В.Н. Мамаевским с привлечением электронного сканирующего микроскопа и малоугловой рентгенографии, показали, что процесс разрушения бетона начинается с зарождения и развития микротрещин скола в кристаллитах гидросиликатов - продук-товтвердения цемента, которые расположены вблизи концентраторов напряжений (пор и других технологических дефектов). Распространение трещин от одного зерна к другому до окончательного макроразрушения становится возможным, когда освобождаемая упругая энергия достаточна не только для образования новых поверхностей магистральной трещины, но и для компенсации дополнительной работы, идущей на пластические деформации и образование ступенчатых поверхностей скола.
По гипотезе А.Е. Шейкина прочность и ряд других физико-механических свойств бетона зависят от отношения абсолютного объема, занимаемого кристаллическим сростком в единице объема цементного камня, к абсолютному объему геля. Указанное отношение, в основном, обусловлено минералогическим составом цемента. Гипотеза Шейкина не предусматривает образование и развитие микротрещин отрыва и не выявляет роль заполнителей. А.А. Гвоздев, анализируя экспериментально установленные факты образования микротрещин разрыва, связал их с анализом полей напряжений в бетоне. Поле напряжений, вызванное нагрузкой, взаимодействует с полем напряжений, вызванным неоднородностью материала, в результате чего возникают местные концентрации напряжений, приводящих к трещинам разрыва.
Как показали исследования А.Е. Десова, напряжения в местах концентрации в несколько раз превосходят напряжения, вызванные нагрузкой. Движение дислокаций, с которым сопряжено обра-зование и развитие микротрещин, связано с временем действия нагрузки. С увеличением скорости нагружения процесс протекает с меньшей полнотой, имеет место т.н. «запаздывание деформа-ций», что приводит в конечном счете к необходимости создания большего напряжения для разрушения бетона. На механизм разрушения материала оказывает воздействие окружающая среда. При физической адсорбции молекул воды уменьшается поверхностная энергия, что, согласно уравнению Гриффитса , понижает предельное напряжение. При нагружении бетона влага начинает передвигаться по капиллярам, проникает в устье микро-трещин и облегчает разрушение. При повышении интенсивности нагружения скорость перемещения жидкой фазы отстает от ско-рости трещинообразования и отрицательное влияние влажности на прочность бетона уменьшается. Имеются экспериментальные данные, что при быстром нагружении водонасыщенный бетон может оказаться прочнее сухого.
Прочностные свойства бетона связаны с его деформациями, возникающими при нагружении. По изменению объема бетона в процессе нагружения, установленному тензометрическими измерениями, и по изменению скорости ультразвуковых импульсов О.Я. Бергом определено, что при сжатии происходят последовательные процессы уплотнения, разуплотнения и разрушения структуры бетона.

Уплотнение и упрочнение бетона имеет место при длительно действующих небольших нагрузках на бетон. Как показывают рентгеноструктурные исследования, при таком нагружении образцов повышается степень гидратации цемента, изменяются параметры структуры цементного камня.
В процессе нагружения бетона фиксируются две параметрические точки. Первая из них соответствует напряжению R т , при котором, по мнению О.Я. Берга, возникают микротрещины (граница микроразрушений).


Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• Для чего мы проводим проверку бетон-поставщиков - важнейшие принципы нашей работы.
• Все данные о бетоне в25: цена за 1 м3 с доставкой стоимость, показатели, круг употребления и месторасположение производств
• Детальные подробности про бетон в 7 5 (стоимость, распространенность, круг использования и карта заводов-изготовителей).