Пирадов к а механика разрушения бетона и железобетона
Обновлено: 17.04.2024
Исследования показали, что изменение капиллярно-пористой структуры межпоровых перегородок ведёт к повышению устойчивости пенобетонов при воздействии огня.
Одним из важнейших свойств стеновых материалов является их огнестойкость, поскольку она определяет безопасность эксплуатации жилых и общественных зданий. Огнестойкость — способность материалов выдерживать длительное воздействие открытого огня без разрушения.
После принятия программы «Об энергосбережении» и выхода новых норм, регламентирующих сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций зданий и сооружений, в строительстве стали шире применяться эффективные теплоизоляционные материалы (пенопласт, сайдинг и т. д.), многие из которых имеют полимерную основу, относятся к горючим материалам и у которых продукты горения токсичны. Российская статистика показывает, что около 80 % пожаров приходится на жилой сектор [1].
Бетоны относят к огнестойким материалам. Большинство строительных конструкций изготавливается из железобетона, который характеризуется повышенной пожарной устойчивостью по сравнению с металлическими или другими видами строительных конструкций. Сухие бетоны способны длительно выдерживать без разрушения воздействие температур до 620 °C [1].
В условиях эксплуатации бетонные и железобетонные конструкции не бывают сухими, они находятся в состоянии равновесной влажности, величина которой зависит от параметров их капиллярно-пористой структуры.Уже при незначительном нагреве в их поровой структуре появляется пар. В том случае, когда пор мало, или они сообщающиеся и открытые, пар в условиях пожара способствует только замедлению продвижения температурного фронта в глубь конструкции. Если поры закрытые, то парообразная влага развивает в них избыточное давление, способствуя, таким образом, растрескиванию и как продвижению высоких температур внутрь конструкции, так и её разрушению.
При воздействии пожара на влажные бетонные и железобетонные конструкции в них наблюдается взрывообразное («хрупкое») разрушение бетона, которое в бетонах слитной структуры начинается, как правило, через 5–15 мин после начала огневого воздействия. Оно проявляется в виде околов со стороны обогреваемой поверхности. Глубина околов обычно составляет 5–10 см, а площадь разрушающейся поверхности может достигать нескольких квадратных метров, что в конечном итоге приводит к разрушению конструкции. Важно отметить, что скорость появления околов в условиях пожара зависит не только от влажности железобетонной конструкции, но и от способности бетона транспортировать тепло, то есть от его теплопроводности. Именно поэтому при возведении пожароустойчивых железобетонных конструкций чаще всего на их поверхность наносят специальные составы с целью защиты от скоростного распространения тепла. Такие составы увеличивают время сохранения несущей способности строительных конструкций в условиях пожара, однако полностью защитить их от разрушения не могут.
Принято считать [3], что причиной хрупкого разрушения любого материала является его низкая прочность при растяжении. Поэтому для повышения огнестойкости строительных конструкций следует совершенствовать именно это свойство бетонов. Дисперсное армирование пенобетонов волокнами повышает их прочность при растяжении в 2–5 раз [2]. Понижение теплопроводности пенобетона при сохранении его конструкционных свойств также должно способствовать повышению его пожарной устойчивости [2]. У фибропенобетона по сравнению с равноплотным пенобетоном теплопроводность меньше на 15–25 %, поэтому продвижение теплового фронта должно осуществляться медленнее, чем при использовании обычного ячеистого бетона. Кроме того, экспериментально установлено, что плотность межпоровых перегородок в фибропенобетоне существенно выше, чем в обычном. Причиной являются особенности формирования кластерных агрегатов в присутствии протяжённой поверхности фаз. Повышение плотности межпоровых перегородок предопределило понижение равновесной влажности материала, что, в свою очередь, должно улучшить его противопожарные свойства за счёт снижения интенсивности воздействия водяных паров на стенки пор.
В Волгоградской испытательной пожарной лаборатории были проведены испытания на огнестойкость равноплотных пено- и фибропенобетонов. Испытания показали, что сквозное растрескивание фибропенобетонов плотностью 600 кг/м3 под действием огня начинается на 15 мин позже, чем у пенобетонов [4].
Из протокола испытаний [4] следует, что при повышении температуры до 678 °C состояние фибропенобетонного образца остаётся без видимых изменений. Причём в этом же интервале времени и температуры с пенобетонного образца начинает осыпаться песок. При дальнейшем повышении температуры до 736 °C на пенобетонных образцах появляются трещины, а на фибропенобетонных — их практически нет. При температуре 840 °C пенобетонные образцы разделяются на части, а у фибропенобетонных появляются трещины на поверхности (около 30 % от площади поверхности). Дальнейшее повышение температуры (до 894 °C) приводит к появлению глубоких трещин с разломами образцов по объёму.
Таким образом, экспериментально установлено, что устойчивость к высоким температурам и предел огнестойкости (I) образца из фибропенобетона толщиной 120 мм равен 45 мин, а равноплотного образца бетона ячеистой структуры — только 30 мин.
1. Голованов В. И. и др. Обеспечение огнестойкости несущих строительных конструкций // Пожарная безопасность. — 2002. — № 3. — С. 48–57.
2. Моргун Л. В. Структурообразование и свойства дисперсноармированных пенобетонов: Диссертация. — Ростов-на-Дону: РГСУ, 2005.
3. Пирадов К. А., Бисенов К. А., Абдуллаев К. У. Механика разрушения бетона и железобетона. — Алматы, 2000.
4. Протокол опытных испытаний образца фибропенобетона ТУ 5767-033-02069119-2003. — Волгоград, 2004.
Бетон и железобетон используются в сооружениях и конструкциях, предназначенных для длительных сроков эксплуатации. Это предопределено особенностями и спецификой их ремонта и повторного использования. С этих позиций долговечность бетонных и железобетонных конструкций необходимо оценивать на стадиях их проектирования, изготовления элементов и возведения в зависимости от условий эксплуатации в зданиях и сооружениях с разнообразными режимами силовых, тепловых и коррозионных воздействий.
Расчет конструкций по их долговечности и ее нормирование - это веяние времени. Заданная долговечность должна стать единственным требованием заказчика к качеству как железобетонного изделия, так и всего сооружения в целом. То есть долговечность должна стать расчетной характеристикой конструкции: в паспорте элемента, отпускаемого заводом железобетонных изделий потребителю, необходимо указывать его гарантированный срок службы, в зависимости от которого и будет назначаться цена продукции.
Железобетон - материал, наличие трещин в котором обусловлено сущностью его работы по нагрузкой. Трещины в изгибаемых железобетонных конструкциях образуются и развиваются как в растянутой, так и в сжатой частях сечения, существенно влияя на несущую способность, на долговечность и на деформативность элементов. Кроме того, в структуре бетона еще до приложения внешней нагрузки имеются дефекты, причем размеры таких дефектов неодинаковы. Поэтому существующие методы расчета, основанные на теории прочности бетона, не могут описать разрушение конструкции - растянутый во времени процесс накопления повреждений в структурах бетона и стали. К тому же величина прочности бетона возрастает во времени, что делает ее неприемлемым параметром при расчетах несущей способности конструкции во времени. Процессы деструкции бетона, стали и железобетона в целом возможно описать с помощью законов и параметров механики разрушения. Поэтому на смену прочности, как основной нормируемой характеристики бетона и стали приходит энергия, затрачиваемая на разрушение их структуры, и критический коэффициент интенсивности напряжений бетона (К() и железобетона (К[-). Для бетона величина Кг определяется согласно ГОСТ 29167-91 [1] для отрывных трещин и по методике [2] для сдвиговых, Для железобетона
Рассмотрим процесс разрушения железобетонного изгибаемого элемента на предельной стадии его деформирования. В таком элементе образуются следующие типы трещин (рис. 1): нормального отрыва (v) в растянутой части сечения; сдвига (h). параллельные продольной оси элемента в сжатой части сечения; сдвигово-отрывные (i), наклоненные к продольной оси элемента, движение которых вверх является результатом нормального отрыва, а отклонение от вертикали - поперечного сдвига. Тогда в момент восприятия максимального внешнего момента Мшах расчетная схема нормального сечения будет иметь вид, показанный на рис. 2, На этой стадии трещины нормального отрыва Г достигают максимальной длины, но интенсивно растут сдвиговые трещины. Они растут и в длину, и в ширину на стадии понижения несущей способности, достигая в конце концов критической длины и отслаивая от сжатой части сечения пласт бетона, который полностью выключается из работы элемента. В оставшейся по высоте сжатой части сечения образуется новая горизонтальная трещина, то есть процесс разрушения сжатого бетона распространяется как вдоль пролета элемента, так и по высоте его сечения
На стадии восприятия максимального момента Мтах запишем уравнения равновесия, где учтем его уменьшение во времени при изменении параметров трещин отрыва и сдвига, а также релаксацию критических КИН бетона:
Увеличивающийся спрос строительной отрасли на разработку расчетов-прогнозов долговечности железобетонных элементов в ответственных сооружениях создает уверенность в том, что в XXI веке прогноз долговечности - срока службы бетона и железобетона будет неотъемлемой частью проекта строящихся объектов и страхового заключения о риске, рабочим материалом служб мониторинга эксплуатации зданий и сооружений.
Долговечность железобетонных конструкций в техногенных условиях эксплуатации при воздействии коррозионно-активных веществ оказывается невысокой и определяется в основном длительностью процессов накопления повреждений в структуре бетона.
Принципы прогнозирования долговечности бетона при тепловых, влажностных, коррозионных и силовых воздействиях по энергетическим и силовым критериям механики разрушения (МР) разработаны в НИИЖБе и изложены в [1]. В качестве расчетных параметров в МР используются структурные характеристики Кю и Кис, отображающие напряженное состояние в вершине трещин, что позволяет достоверно оценить долговечность бетона.
Для оценки влияния процессов сульфатной коррозии на параметры трещиностойкости бетона проведены экспериментальные исследования на мелкозернистом бетоне из среднеалюминатного цемента. Состав бетона 1:2 при В/Ц=0,6. Размеры образцов 10x40x160 и 20x100x100 мм. В возрасте 28 сут образцы испытывали в течение 120-1000 сут при полном погружении их в раствор сульфата натрия с концентрацией сульфат-ионов 33,8 г/л. Значения определяли по методикам, аналогичным [2, 3]( Результаты испытаний приведены в таблице.
При дальнейшем развитии процессов коррозии возникают значительные внутренние напряжения в пустотах, капиллярах, порах, что приводит к развитию существующих и зарождению новых микротрещин. Следствием этого является понижение трещиностойкости бетона. Количество микротрещин в единице объема бетона определяется степенью заполнения пустот, пор и капилляров продуктами взаимодействия силикатов кальция с сульфатами, характеризуемыми количеством связанных цементным камнем сульфат-ионов (QS03).
Анализом установлено, что сопротивление развитию магистральных трещин, вызывающих фрагментацию образца, зависит от размеров и количества микротрещин в объеме, вызванных процессом коррозии. К 300 сут воздействия среды (QS03 до 7,5%) поверхность образцов испещряли микротрещины.
Это состояние структуры характеризуется незначительным влиянием локальных микротрещин на общую сопротивляемость бетона развитию макротрещин при последующем силовом нагружении. В опытах наблюдается незначительное снижение HL- и К||С (до 2%) по отношению к водонасыщенному образцу- близнецу.
При содержании в бетоне связанных цементным камнем сульфат-ионов более 8,6% длина микротрещин значительно увеличивается, расстояние между ними соизмеримо с их длиной. Взаимное влияние соседних микротрещин на интенсивность напряжений в их вершинах увеличивается, в результате чего происходит слияние отдельных микротрещин. На данном этапе развития коррозионного процесса происходит интенсивное снижение трещиностойкости бетона. Так, к 600 сут воздействия среды наблюдается существенное снижение Кю и К|1С. С развитием коррозионных дефектов в структуре бетона более снижается трещиностойкость при нормальном отрыве (44%), чем при поперечном сдвиге (36 %).
Критическое содержание сульфат-ионов в структуре бетона (QS03=15%) приводит к полной деструкции и разрушению образца.
В опытах получены данные, позволяющие установить зависимости между значениями К|с и Кмс бетона в нормальных условиях и их снижением в результате длительного воздействия растворов сульфатов.
Эти зависимости выражаются в виде
Используя полученные зависимости, можно рассчитать долговечность железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в сульфатных средах, по методике [1].
Выполнен обзор и анализ фундаментальных научных работ в части проблематики повышения трещиностойкости ячеистого бетона. Рассмотрены актуальные вопросы исследований применения в ячеистом бетоне дисперсного армирования минеральной и полимерной фиброй. Установлена эффективность фибрового армирования автоклавного фиброгазобетона и неавтоклавного фибропенобетона. Приведены опытные данные, полученные в результате исследований прочностных и деформационных характеристик, а также трещиностойкости ячеистого фибробетона, подтвердившие более высокие прочностные и деформационные качества ячеистого бетона с дисперсным армированием по сравнению с неармированным ячеистым бетоном, а также свидетельствующие о положительном влиянии дисперсного армирования на трещиностойкость и на повышение сопротивления хрупкому разрушению. Показаны опытные составы автоклавного ячеистого бетона (фиброгазобетона) и неавтоклавного (фибропенобетона) с прочностными и деформационными характеристиками. Даны предложения по проектированию и расчету конструкций из ячеистого фибробетона, в частности, по нормированию прочностных характеристик (нормативного остаточного сопротивления при растяжении).
Ключевые слова
Об авторах
Список литературы
1. Бучкин А.В. Мелкозернистый бетон высокой корозионной стойкости, армированный тонким базальтовым волокном, Автореф.. канд. техн. наук. 05.23.05 «Строительные материалы и изделия». Бучкин Андрей Викторович., Москва, 2011.
2. Беркович Т.М. Автоклавный асбестоцемент. - М.: Промстройиздат, 1957.
3. Воробьев К.С., Бортников В.Г., Данилова С.Г. Дисперсно-армированный ячеистый бетон / В сб. «Дисперсно-армированные бетоны и конструкции из них». ЛатНИТИ, Рига, 1975.
4. Зайцев Ю.В. Деформации и прочность цементного камня и бетона с учетом трещин в микро- и макроструктуре. Дисс.. д-ра техн. наук, 05.23.01. «Строительные конструкции». Зайцев Юрий Владимирович Москва, 1975.
5. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения. - М.: Стройиздат, 1982.
6. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. - М.: Стройиздат, 1996.
7. Крашенинников А.Н. Классификация ячеистых бетонов и совершенствование технологии их производства / Сб. «Жилые дома из ячеистого бетона». - Л.: Госстройиздат, 1963.
8. Крохин А.М. Автоклавный ячеистый бетон с повышенной прочностью при растяжении. / Дисс.. канд. техн. наук: 05.23.05 / Крохин Алексей Митрофанович, Москва, 1979.
9. Лобастов А.В. Асбестовый отход как заполнитель теплоизоляционного газобетона. «Строительные материалы», 1963, №4.
10. Механика разрушения для строителей: под ред. Ю.В. Зайцева. - М.: Высшая школа, 1991.
11. Макарычев В.В. О ячеистом бетоне, армированном волокнами. / Сб. НИИЖБ «Фибробетон и его применение в строительстве».- М. НИИЖБ Госстроя СССР, 1979. С. 85-88.
12. Моргун В.Н. Структурообразование и свойства фибропенобетонов неавтоклавного твердения с компенсированной усадкой. Дисс.. канд. техн. наук: 05.23.05 / Моргун Владимир Николаевич. , Ростов -на-Дону, 2004.
14. Пирадов К.А., Бисенов К.А., Абдуллаев К.У. Механика разрушения бетона и железобетона. - Алматы: Издательский центр ВАК РК Министерства образования и науки РК,2000.
15. Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Механика разрушения железобетона. ГНЦ «Строительство» РФ, Научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ). М., ИЦ «Новый век», 1998.
16. Пухаренко Ю.В. Фиброармированные бетоны: свойства и применение в строительстве: Учебное пособие. - СПб, 2016.
17. Руководство по технологии изготовления ячеистого бетона плотностью 250-300 кг/ м3. М., 1977.
18. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22-81*.
19. СП 339.1325800.2017. Конструкции из ячеистых бетонов. Правила проектирования.
20. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.
21. СП 297.1325800.2017. Конструкции фибробетонные с неметаллической фиброй. Правила проектирования.
22. Стольников В.В., Литвинова Р.Е. Трещиностойкость бетона. - М.: Энергия, 1972.
23. СТО НОСТРОЙ 2.9.136-2013. Строительные конструкции зданий и сооружений, устройство конструкций с применением изделий и армированных элементов из ячеистых бетонов автоклавного твердения. Правила, контроль выполнения к результатам работ, рекомендации по применению». НП «Союз предприятий строительной индустрии Свердловской области. Центральный институт типового проектирования им. Г.К.Орджоникидзе. М., 2016
24. Суворов И.О. Дисперсное полиармирование как способ снижения усадки фибропенобетона / Дисс.. канд. техн. наук. 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия». Суворов Иван Олегович Санкт-Петербург, 2015.
25. Флек Л.В. Теоретическое и прикладное материаловедение. - М.: Атомиздат, 1975.
26. Шатава В., Шкрдлик Я. Пористый бетон Силикорк. - М.: Госстройиздат, 1962.
27. Griffith A.A. The phenomenon of rupture and flow in solids. Phil. Trans. Boy. Sos. A221. 1920.
28. Irwin G.R. Fracture dynamics. «Fracturing of Metals» ASM. Cleveland. 1948.
29. Irwin G.R. Analysis of stresses and strains neer the and of a crack traversing a plate // J Appl. Nech. 24.1957.
30. Irwin G.R. Plastic zone neаr a crack and fracture toughess, 7th Sagamore Ardance Materials Research Conference, Syracuse, Univ. Press., 1960.
31. Orowan E.O. Fundamentals of brittle bihaviour of metals, «Fatigue and Fracture of Metals» (Murray W.M. ed) Wiley. New York.
Прогресс бетоноведения на современном этапе в значительной мере связан с развитием наших представлений в области механики разрушения бетона. Задача этого направления исследований состоит в формулировании наиболее общих критериев устойчивости бетона как при кратковременных, но предельно высоких механических воздействиях(прочность), так и при комплексном воздействии внутренних и внешних напряжений, а также окружающей среды — ее состава и температурных режимов в течение всего срока эксплуатации материала (долговечность).
До последнего времени механика разрушения бетона развивалась в традиционном русле, у истоков которого стояли Гриффитс, Ирвин, Каплан 3. При этом задачи решались и продолжают решаться методами механики сплошной среды [4, 5]. Однако последовательное применение этих методов к бетону — материалу дискретному, существенно неоднородному в конечном счете неизбежно привело к противоречиям [6]. Попытки преодоления возникающих трудностей nyrew построения так называемой иерархической системы структуры бетона с выделением макро-, мезо- и микроуровней вряд ли можно считать успешными. Как хорошо известно, эта система отражает всего лишь внутреннюю конфигурацию зернистой среды бетона, предполагающую, что его базовая структура формируется крупным заполнителем, меж- зерновое пространство которого насыщено мелкой фракцией. В свою очередь, в межзерновом пространстве последней локализуется цементное тесто (камень). Однако последующее силовое навязывание в рамках иерархической системы признаков континуума неоднородным дискретным структурам растворной части бетона и его цементной составляющей не представляется обоснованным и по существу является признанием того, что на пути применения методов механики сплошной среды к процессу разрушения бетона существуют весьма жесткие ограничения и запреты. Их суть сводится к тому, что математический аппарат непрерывных функций, используемый механикой сплошной среды, применим только к континууму — сплошной однородной среде, внутри которой имеет место непрерывное распределение ее основных характеристик— плотности, напряжений и т.д. [7, 8]
Изложенные доводы позволяют считать, что стоящие перед бетоноведением задачи вряд ли могут быть успешно решены на пути продолжения применения только лишь методов механики сплошной среды, затушевывания и, по сути, игнорирования принципиальных особенностей дискретной и неоднородной структуры бетона.
Представляется очевидным, что для анализа строительно-технических свойств бетонов следует применять методы механики зернистой среды, которые предполагают всемерное подчеркивание дискретности и неоднородности структуры материала [9]. В отношении к зернистым средам высокой степени раздробленности зерен (в рамках фи- зико-химии дисперсных систем) было выдвинуто и обосновано положение о том, что прочность структур, формирующихся в этих средах, обусловливается не столько свойствами зерен (дисперсных частиц), сколько свойствами контактов между ними [10, 11].
Применение методов механики зернистой среды к бетонам уже привело к важным результатам, заставляющим совершенно иначе, нежели прежде, взглянуть на механику разрушения этого материала [12, 13]. Принципиально важным результатом первых исследований контактных взаимодействий в бетонах, открывающим новую страницу развития механики разрушения бетона, является то, что его прочность может рассматриваться как результат аддитивного сложения сил сцепления частиц клинкера в процессе гидратации его минералов. Это означает, что дефекты структуры бетона (трещины, другие неоднородности) если и присутствуют, не оказывают сколько-нибудь существенного влияния на прочность бетона Иначе говоря, либо в устье трещины нет концентрации напряжений, что неизбежно диктуется механикой сплошной среды, либо трещины преимущественно локализованы в периферийных зонах, существенно не влияющих на прочность бетона. И, еще раз перефразируя, механику сплошной среды если и возможно применять к анализу процесса разрушения бетона, то крайне осторожно и с очень жесткими ограничениями.
Еще одним важным результатом применения механики зернистой среды к бетонам явилось обоснование принципиально нового механизма деструкции, который не предполагает участие трещин вообще, и происходит путем разрушения арочных структур, образованных зернами (дисперсными частицами) в среде бетона. Существенной особенностью этого механизма деструкции является то, что зона его действия может быть локализована в достаточно ограниченных объемах, содержащих не более 1000 зерен (дисперсных частиц) и имеющих линейный размер порядка 100 мкм. Накопление таких локальных зон деструкции, например, при попеременном замораживании и оттаивании бетона соответствует постепенной утрате им несущей способности и в конечном счете обусловливает его разрушение [12, 14].
Механика зернистой среды бетона только зарождается. Еще предстоит очень многое сделать. Одна из первоочередных задач состоит в формулировании понятия трещины и определения ее роли в зернистой среде. Оно должно принципиально отличаться от традиционного, принятого в механике сплошной среды взгляда на трещину, согласно которому она выступает в роли мощнейшего концентратора напряжений. В целом и на данном этапе, и в более отдаленные периоды развития механики зернистой среды бетона приоритеты должны находиться в сфере выявления принципиальных отличий в механическом поведении зернистых(дисперсных)капиллярно-пористых материалов и сплошных твердых тел
Прогресс механики зернистой среды бетона нельзя представить без неразрывного связанного с ним развития экспериментальных исследований контактных взаимодействий зерен (дисперсных частиц). Эти взаимодействия выступают в качестве первопричины по отношению к строительно-техническим свойствам бетона как на стадии смеси, так и при его эксплуатации как конструкционного материала. Вместе с тем в исследованиях контактных взаимодействий решается еще одна из важнейших задач современного бетоноведения, рассмотрение которой выходит за пределы данного изложения, а именно: развитие представлений о физикохимических механизмах структурообразования в процессах гидратационного твердения минеральных вяжущих веществ и бетонов на их основе. Таким образом, как исследования в области механики зернистой среды, так и изучение контактных взаимодействий в бетонах, вместе взятые, являются неизбежными этапами на пути прогресса бетоноведения в XXI веке.
Читайте также: