Разрушение бетона при ударе

Обновлено: 11.08.2022

Примерами конструкций, подвергающихся ударам, могут служить бетонные сваи, полы промышленных зданий из раствора или бетона, на которые мостовым краном регулярно сбрасываются тяжелые грузы, бетонные дамбы, подвергающиеся ударам морских волн с камнями и галькой, фундаменты, испытывающие вибрации, которые представляют собой по сути дела серии кратких ударов (здесь речь идет также о пределе усталости), бетонные пирсы, по которым ударяют пристающие суда, конструкции, подвергающиеся артиллерийскому обстрелу (сооружения военного назначения). Наиболее полно в лабораториях исследованы вопросы, связанные с производством сборных обычных или преднапряженных железобетонных свай, забиваемых в грунт копром. Известно, что во избежание разрушения бетона свай копровой бабой необходимо принимать различные меры предосторожности, несмотря на то, что верхняя часть сваи обычно хорошо упрочняется и имеет стальной оголовник, выдерживающий высокие нагрузки. Существует немало способов проведения лабораторных испытаний на прочность при ударе, однако все они основаны на одном общем принципе. Молот определенной массы сбрасывается в свободном падении на бетонный образец. Считают число ударов, необходимых для разрушения бетона, или отмечают высоту падения, достаточную для разрушения образца за один удар. Энергию удара (кгм) легко подсчитать. Скорость при ударе v (м/с) определяется по формуле: v = ?2gh, где g — 9,81, h — высота, м. Таким образом, груз массой 50 кг, падающий с высоты 1 м, обладает такой же энергией удара, какую имеет груз массой 12,5 кг, падающий с высоты 4 м, однако скорость этого последнего в момент удара будет в два раза выше. Груз можно сбрасывать на бетонный цилиндр размером 15X30 см или 16X32 см, на бетонную плиту, лежащую ровно на песчаной постели, или на бетонную плиту, расположенную на двух опорах. В США нормализованы испытания на разрушение природного камня, которые состоят в сбрасывании груза массой 2 кг с высоты, превышающей 1м, до разрушения образца. Западногерманские нормы включают описание аппаратуры, также применяемой для испытания природного камня. Масса груза 50 кг, а максимальная высота падения 1,5 м. Подобный метод применяют и для испытаний бетона , из которого изготовляют цилиндрические образцы размером 15×30 см с оголовником толщиной 8 см. Число ударов, которое способен выдержать образец, начинает быстро уменьшаться, начиная с определенной высоты, примерно 60 см (по данным этих испытаний). Хорошая прочность при сжатии (более 450 бар) — необходимое условие, но ее одной недостаточно для хорошей ударной вязкости.

Под ударами твердого тяжелого тела бетон не имеет времени приспособиться, поскольку деформации длятся очень короткое время и никакое перераспределение усилий невозможно. Поэтому весьма сильно возрастает роль местных дефектов материала и возникает необходимость получения высокой однородности состава. По всей видимости, наибольшее значение имеют такие факторы, как расход воды, тип заполнителя и условия выдерживания бетона. Существует явно выраженная зависимость между В/Ц и прочностью на удар. Как видно, для достижения достаточно хорошего сопротивления наносимым подряд ударам В/Ц бетонной смеси не должно превышать 0,45. Бетон гораздо лучше сопротивляется ударам, когда они наносятся после достаточно продолжительного предварительного выдерживания (2—3 месяца). По данным исследований, проводившихся Дамсом (1969 г.), можно рекомендовать следующие правила, которых следует придерживаться при изготовлении бетона с высокой ударной прочностью: применять цемент высоких марок с расходом 350—400 кг/м3, В/Ц не более 0,45, заполнителем должен служить щебень, частицы которого имеют шероховатую поверхность, неправильной формы, с низким модулем деформации, диаметром менее 30 мм и содержанием песка с частицами до 7 мм более 60%. Выдерживать бетон необходимо во влажном состоянии не менее 7 суток. Полученный бетон следует подвергать ударам не ранее чем через 28 суток, а если возможно, то через 90 суток.

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Радченко Павел Андреевич, Батуев Станислав Павлович, Радченко Андрей Васильевич

Особенностью бетона является его низкая прочность на растяжение. Разница между значением прочности на сжатие и растяжение может достигать 15–20 раз. Поэтому важно прогнозировать поведение бетонных конструкций при различ- ных режимах эксплуатационных и непредвиденных нагрузок. В работе представлены результаты численного исследо- вания разрушения преграды из высокопрочного бетона при ударе по ней цилиндрического ударника с оживальной го- ловной частью. Задача ударного взаимодействия решается численно методом конечных элементов, в трехмерной поста- новке, в рамках феноменологического подхода механики деформируемого твердого тела. Численное моделирование проводится с помощью авторского вычислительного комплекса EFES 2.0, обеспечивающего высокую степень распарал- леливания численного алгоритма. Разрушение бетона описывается моделью Джонсона–Холмквиста, в которую включе- на зависимость пределов прочности бетона на сжатие и растяжение от скорости деформаций. Алгоритм расчета учиты- вает образование несплошностей в материале и фрагментацию тел с образованием новых контактных и свободных по- верхностей. Поведение материала ударника описывается упругопластической средой. В качестве локального критерия разрушения для материала ударника принимается предельная величина интенсивности пластических деформаций. Для вычислительного эксперимента преграда была разбита на 19  106 конечных элементов (тетраэдров). Проведен подроб- ный численный анализ динамики напряженно-деформированного состояния бетонной преграды и влияния ударно-вол- новых процессов на разрушение преграды. Установлено, что определяющую роль в разрушении преграды при рассмот- ренных кинематических и геометрических параметрах взаимодействия играют волновые процессы. Разрушение в пре- граде происходит в волнах разгрузки , формирующихся на свободных поверхностях преграды. В результате в преграде последовательно возникают три области разрушения , распложенные перед внедряющимся ударником. Первая область формируется вблизи лицевой поверхности преграды, вторая область — откольное разрушение на тыльной поверхности преграды и третья область разрушения формируется в центральной части преграды в результате интерференции волн разгрузки , распространяющихся от боковой поверхности преграды. С течением времени наступает слияние этих зон разрушения и преграда практически не оказывает сопротивление внедрению ударника.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Радченко Павел Андреевич, Батуев Станислав Павлович, Радченко Андрей Васильевич

Влияние многослойного покрытия на поведение стальной подложки конструкции при динамическом нагружении

Численное моделирование поведения хрупких анизотропных материалов и конструкций из них при динамических нагрузках

Numerical analysis of concrete fracture under shock wave loading

Concrete is known for its low tensile strength . The difference between its compressive and tensile strengths can reach a factor of 15–20. Therefore, it is important to predict the behavior of concrete structures under various operating conditions and unexpected loads. This paper reports the numerical results on the fracture behavior of a high-strength concrete target struck by an ogival-nosed projectile. The problem of impact interaction is numerically solved by the finite element method in a threedimensional formulation within a phenomenological framework of solid mechanics. Numerical simulation is carried out using an original EFES 2.0 software, which allows a straightforward parallelization of the numerical algorithm. Fracture of concrete is described by the Johnson–Holmquist model that includes the strain rate dependence of the compressive and tensile strengths of concrete . The computational algorithm takes into account the formation of discontinuities in the material and the fragmentation of bodies with the formation of new contact and free surfaces. The behavior of the projectile material is described by an elastoplastic medium. The limiting value of the plastic strain intensity is taken as a local fracture criterion for the projectile material. For the computational experiment, the target was divided into 19  106 finite elements (tetrahedrons). A detailed numerical analysis was performed to study the stress and strain dynamics of the concrete target and the effect of shock-wave processes on its fracture . It was found that the decisive role in the fracture of the target, with the considered kinematic and geometric interaction parameters, is played by wave processes. Target fracture occurs in unloading waves generated on its free surfaces. As a result, three fracture zones are formed in the target in front of the penetrating projectile. The first zone is formed near the front surface of the target. The second one is a spall fracture on the rear surface. The third fracture zone is formed in the central part of the target due to the interference of unloading waves propagating from its lateral surface. These fracture zones merge with time, and the target shows almost no resistance to the projectile penetration.

Текст научной работы на тему «Численный анализ развития разрушения в бетоне при ударно-волновом нагружении»

Численный анализ развития разрушения в бетоне при ударно-волновом нагружении

П. А. Радченко, С.П. Батуев, А.В. Радченко

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634055, Россия

Особенностью бетона является его низкая прочность на растяжение. Разница между значением прочности на сжатие и растяжение может достигать 15-20 раз. Поэтому важно прогнозировать поведение бетонных конструкций при различных режимах эксплуатационных и непредвиденных нагрузок. В работе представлены результаты численного исследования разрушения преграды из высокопрочного бетона при ударе по ней цилиндрического ударника с оживальной головной частью. Задача ударного взаимодействия решается численно методом конечных элементов, в трехмерной постановке, в рамках феноменологического подхода механики деформируемого твердого тела. Численное моделирование проводится с помощью авторского вычислительного комплекса EFES 2.0, обеспечивающего высокую степень распараллеливания численного алгоритма. Разрушение бетона описывается моделью Джонсона-Холмквиста, в которую включена зависимость пределов прочности бетона на сжатие и растяжение от скорости деформаций. Алгоритм расчета учитывает образование несплошностей в материале и фрагментацию тел с образованием новых контактных и свободных поверхностей. Поведение материала ударника описывается упругопластической средой. В качестве локального критерия разрушения для материала ударника принимается предельная величина интенсивности пластических деформаций. Для вычислительного эксперимента преграда была разбита на 19 • 106 конечных элементов (тетраэдров). Проведен подробный численный анализ динамики напряженно-деформированного состояния бетонной преграды и влияния ударно-волновых процессов на разрушение преграды. Установлено, что определяющую роль в разрушении преграды при рассмотренных кинематических и геометрических параметрах взаимодействия играют волновые процессы. Разрушение в преграде происходит в волнах разгрузки, формирующихся на свободных поверхностях преграды. В результате в преграде последовательно возникают три области разрушения, распложенные перед внедряющимся ударником. Первая область формируется вблизи лицевой поверхности преграды, вторая область — откольное разрушение на тыльной поверхности преграды и третья область разрушения формируется в центральной части преграды в результате интерференции волн разгрузки, распространяющихся от боковой поверхности преграды. С течением времени наступает слияние этих зон разрушения и преграда практически не оказывает сопротивление внедрению ударника.

Ключевые слова: модель, разрушение, прочность, ударная волна, волна разгрузки, бетон, напряжение DOI 10.24411/1683-805X-2020-14008

Numerical analysis of concrete fracture under shock wave loading

P.A. Radchenko, S.P. Batuev, and A.V. Radchenko

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634055, Russia

Concrete is known for its low tensile strength. The difference between its compressive and tensile strengths can reach a factor of 15-20. Therefore, it is important to predict the behavior of concrete structures under various operating conditions and unexpected loads. This paper reports the numerical results on the fracture behavior of a high-strength concrete target struck by an ogival-nosed projectile. The problem of impact interaction is numerically solved by the finite element method in a three-dimensional formulation within a phenomenological framework of solid mechanics. Numerical simulation is carried out using an original EFES 2.0 software, which allows a straightforward parallelization of the numerical algorithm. Fracture of concrete is described by the Johnson-Holmquist model that includes the strain rate dependence of the compressive and tensile strengths of concrete. The computational algorithm takes into account the formation of discontinuities in the material and the fragmentation of bodies with the formation of new contact and free surfaces. The behavior of the projectile material is described by an elasto-plastic medium. The limiting value of the plastic strain intensity is taken as a local fracture criterion for the projectile material. For the computational experiment, the target was divided into 19 • 106 finite elements (tetrahedrons). A detailed numerical analysis was performed to study the stress and strain dynamics of the concrete target and the effect of shock-wave processes on its fracture. It was found that the decisive role in the fracture of the target, with the considered kinematic and geometric interaction parameters, is played by wave processes. Target fracture occurs in unloading waves generated on its free surfaces. As a result, three fracture zones are formed in the target in front of the penetrating projectile. The first zone is formed near the front surface of the target. The second one is a spall fracture on the rear surface. The third fracture zone is formed in the central part of the target due to the interference of unloading waves propagating from its lateral surface. These fracture zones merge with time, and the target shows almost no resistance to the projectile penetration.

Keywords: model, fracture, strength, shock wave, unloading wave, concrete, stress

© Радченко П.А., Батуев С.П., Радченко А.В., 2020

Бетон — самый распространенный строительный материал, широко применяемый при строительстве зданий и сооружений. Требования, предъявляемые к физико-механическим характеристикам бетона, зависят от назначения, условий эксплуатации и степени ответственности строительных конструкций. При проектировании сооружений высокого класса ответственности (атомные электростанции, плотины гидростанций, хранилища токсичных и радиоактивных материалов, защитные сооружения военного назначения) обязательным требованием являются прогнозные расчеты на динамическую нагрузку — удар, импульсное воздействие [1]. Подобные воздействия на конструкцию могут возникать из-за природных явлений (землетрясения, ураганы), при техногенных катастрофах (падение самолетов), технологических сбоях в процессе эксплуатации, в результате террористических акций.

Поведение бетона при интенсивных динамических нагрузках существенно отличается от поведения при статических нагрузках. Это обусловлено прочностными свойствами бетона: обладая высокой прочностью на сжатие, он имеет низкую прочность на растяжение. Разница в значениях прочности бетона на сжатие и растяжение может достигать 15-20 раз. При интенсивных динамических воздействиях (высокоскоростной удар, импульсные нагрузки) определяющую роль в разрушении начинают играть волновые процессы, в результате чего в бетоне будут формироваться области интенсивных растягивающих напряжений, возникающих в волнах разгрузки. В этих областях будут образовываться несплошности, что в итоге может привести к разрушению и фрагментированию конструкции. Для повышения прочностных характеристик бетона в настоящее время в бетонную смесь добавляют металлические, базальтовые, стекло- и углепластиковые фиброволокна. При изготовлении строительных конструкций вместо стальных армирующих элементов используют композитную арматуру, за счет чего существенно снижается вес конструкции при сохранении эксплуатационных характеристик.

Поведению бетона при динамических нагрузках посвящено много экспериментальных, теоретических и численных исследований. Исследования ведутся по нескольким направлениям: на основе экспериментальных исследований различных типов бетонов строятся упрощенные модели, кото-

рые позволяют проводить быструю оценку возможных последствий динамических воздействий на конструкцию; разрабатываются модели, учитывающие схему армирования бетонных конструкций; разрабатываются алгоритмы для подробного численного анализа и проведения прогнозных расчетов 6. В работе [2] предложена модель разрушения бетона, учитывающая влияние всестороннего сжатия на разрушение бетона при ударных нагрузках. Численно, в осесимметричной постановке, проведено сравнение динамики разрушения бетонных преград при нормальном ударе не-деформируемым и упругопластическим ударником в диапазоне начальных скоростей 200-500 м/с. Получено удовлетворительное согласие численных результатов с экспериментами по характеру разрушения бетонных преград в зависимости от скорости удара и толщины преграды. В работе [3] численно, методом конечных элементов, в трехмерной постановке моделируется нормальное и косое взаимодействие стального ударника с оживальной головной частью с железобетонной преградой в диапазоне скоростей 300-1000 м/с. Предполагается, что для армирования бетона используются стальные цилиндрические стержни, расположенные равномерно в одном или двух ортогональных направлениях. Армирующие элементы при моделировании явно не выделяются. Гетерогенная железобетонная преграда заменяется ортотропной упругохрупкой средой с эффективными механическими характеристиками. Исследовано разрушение железобетонной преграды при нормальном и косом ударе. Экспериментальному исследованию влияния армирования на баллистическую стойкость бетонных преград посвящена работа [4]. Рассмотрено нормальное взаимодействие длинных высокопрочных стальных стержней с оживальной головной частью с бетонными и железобетонными преградами со скоростями 90-180 м/с. Эксперименты показали, что армирование бетонной преграды увеличивает ее баллистическую стойкость на 20 %. В [5] предлагается аналитическая модель проникания оживальных снарядов в полубесконечные бетонные преграды для различных скоростей взаимодействия. Вводится несколько интервалов скоростей удара, в которых поведение снаряда в зависимости от физико-механических свойств материала описывается по-разному — при низких скоростях снаряд считается абсолютно жестким, с повышением скорости учитываются эрозия и потеря массы снаряды и при высоких скоростях сна-

В нашей работе исследуется процесс формирования областей разрушения в бетонной преграде при взаимодействии с высокопрочным ударником на начальной стадии процесса, когда основную роль в развитии напряженно-деформированного состояния играют волновые процессы. В итоге, в зависимости от геометрии взаимодействующих тел, скорости удара, повреждения, полученные на ранней стадии процесса, могут играть определяющую роль в потере ударной стойкости конструкции в целом.

2. Основные уравнения математической модели

Система уравнений, описывающих нестационарные адиабатные движения сжимаемой среды в произвольной системе координат (/ = 1, 2, 3), включает следующие уравнения: неразрывности

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Белов Н. Н., Югов Н. Т., Копаница Д. Г., Кабанцев О. В., Коняев А. А.

Рассмотрено два подхода к расчету прочности железобетонных плит в условиях высокоскоростного удара феноменологический, при котором критерии прочности выражаются через инвариантные связи критических значений макрохарактеристик процесса напряжений и деформаций, и подход, основанный на моделировании процессов образования, роста и слияния микродефектов при динамическом нагружении. Представлены результаты экспериментальных исследований по ударному нагружению в диапазоне скоростей 340-750 м/с железобетонных плит из мелкозернистого бетона стальными цилиндрическими ударниками. Проведено сравнение данных математического моделирования, полученных в рамках обоих подходов, как между собой, так и с данными эксперимента.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Белов Н. Н., Югов Н. Т., Копаница Д. Г., Кабанцев О. В., Коняев А. А.

Расчет прочности конструкций из бетонных и железобетонных плит на высокоскоростной удар модельным снарядом

Расчет прочности бетонных и железобетонных колонн при контактном взрыве цилиндрического заряда открытого взрывчатого вещества*

Исследование прочности конструкции из пространственно-разнесённых железобетонных плит на высокоскоростной удар

Анализ прочности конструкций из пространственно-разнесённых сталебетонных плит при высокоскоростном ударе составным металлическим ударником

Текст научной работы на тему «Разрушение железобетонных плит при высокоскоростном ударе*»

Вестник ТГАСУ №1, 2006

Н.Н. БЕЛОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

Н.Т. ЮГОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

Д.Г.КОПАНИЦА, докт. тех. наук, профессор,

О. В. КАБАНЦЕВ, канд. тех. наук,

A.А. КОНЯЕВ, канд. физ.-мат. наук,

B.Ф. ТОЛКАЧЕВ, канд. физ.-мат. наук,

А. А. ЮГОВ, аспирант

РАЗРУШЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ*

Рассмотрено два подхода к расчету прочности железобетонных плит в условиях высокоскоростного удара - феноменологический, при котором критерии прочности выражаются через инвариантные связи критических значений макрохарактеристик процесса - напряжений и деформаций, и подход, основанный на моделировании процессов образования, роста и слияния микродефектов при динамическом нагружении. Представлены результаты экспериментальных исследований по ударному нагружению в диапазоне скоростей 340-750 м/с железобетонных плит из мелкозернистого бетона стальными цилиндрическими ударниками. Проведено сравнение данных математического моделирования, полученных в рамках обоих подходов, как между собой, так и с данными эксперимента.

В 2 в рамках феноменологического подхода к расчету прочности бетона проведено решение задачи об ударном взаимодействии цилиндрических ударников с бетонными и железобетонными прямоугольными плитами. Бетон при динамическом нагружении до выполнения критерия прочности описывается моделью линейного упругого тела, обладающего физико-механическими свойствами бетона. После выполнения критерия прочности считается, что материал поврежден трещинами. Процесс фрагментирования поврежденного материала описывается в рамках модели пористой упругопластической среды. Фрагментация поврежденного трещинами материала, подвергнутого действию растягивающих напряжений, происходит, когда относительный объем пустот достигает критической величины. Если поврежденный трещинами материал подвергнут действию сжимающих напряжений, то локальным критерием фрагментирования являются либо предельная величина работы пластических деформаций, либо однозначно связанная с ней предельная величина интенсивности пластических деформаций. Разрушенный материал ведет себя как гранули-

* Работа выполнена при поддержке РФФИ № 04 - 01 - 00856.

рованная среда, которая выдерживает сжимающие и сдвиговые усилия, но не выдерживает растягивающих напряжений. Сравнение данных математического моделирования по ударному взаимодействию стальных цилиндрических элементов с бетонными плитами с результатами эксперимента показало, что данный подход может быть использован при расчете прочности элементов железобетонных конструкций на динамические нагрузки.

При расчете железобетонных конструкций слой бетона с арматурой моделируется упругопластической средой, представляющей собой гомогенную двухфазную смесь материалов - стали и бетона. В отличие от бетона, который разрушается хрупко, гомогенная двухфазная смесь стали и бетона разрушается так же, как пластичные материалы [4].

В 5 изложена математическая модель, позволяющая в рамках механики сплошной среды рассчитывать процессы деформирования и разрушения в пористой высокопрочной керамике в условиях взрывного и ударного нагружений. Одним из ее достоинств является то, что модель позволяет исследовать в пористой керамике процесс разрушения при многократном ударном нагружении. В [8] она использовалась для исследования механизмов измельчения частиц при получении субмикронных порошков в пневмоциркуляцион-ном аппарате. В [9] данная модель применена для решения задач об ударном взаимодействии стальных цилиндрических ударников с полубесконечными бетонными мишенями.

Параметры модели деформирования и разрушения бетона при динамических нагрузках определялись путем привязки к экспериментальным данным по ударному нагружению плит из мелкозернистого бетона стальными ударниками при скоростях соударения 130-700 м/с [6]. Эксперименты проводились на баллистическом стенде НИИПММ при ТГУ. Ударники представляли собой цилиндры диаметром 7,6 мм постоянной массы 8,1 г. Толщина плит 200 мм. Соударение осуществлено под углом 90о к лицевой поверхности плиты. Ударники при проникании во всех представленных случаях остаются практически недеформированными. На рис. 1 представлен график изменения глубины проникания Ьк ударников в бетон от скорости удара У0. Привязка к эксперименту осуществлялась по глубине проникания и диаметру лицевого откола.

О 200 400 600 Уд, м/с

Рис. 1. Зависимость глубины проникания ударника в бетонную плиту от скорости удара

Одна часть экспериментальных результатов использовалась для получения параметров модели, другая - для ее верификации. Сравнение данных математического моделирования, полученных в рамках обоих подходов, как между собой, так и с данными эксперимента позволяет констатировать, что результаты, полученные в рамках модели, описывающей процессы роста и слияния микродефектов в условиях динамического нагружения, более точно описывают имеющиеся эксперименты. Параметры модели приведены в [9].

В данной работе эта модель используется для расчета прочности железобетонных плит при ударном взаимодействии со стальными цилиндрическими ударниками.

Для верификации модели деформирования и разрушения железобетонных плит при ударном нагружении были проведены экспериментальные исследования. Бетонные плиты толщиной 24 и 36 мм армировались двумя слоями стальной сетки вблизи лицевой и тыльной поверхностей. Толщина стальной проволоки 1,2 мм, размер ячейки 5x5 мм. Ударник представлял собой либо компактный цилиндр (высота равна диаметру и равна 7,65 мм), либо удлиненный цилиндр (диаметр 7,65 мм и высота 23 мм). Диапазон скоростей соударения 340-750 м/с. В эксперименте фиксировалась запреградная скорость ударника, диаметры лицевого и тыльного отколов. Различие по запре-градной скорости ударника в расчетах и экспериментах не превышало 6 %, по диаметру лицевого откола 8 %, по диаметру тыльного откола 26 %. Сравнительно большое различие по диаметру тыльного откола связано с тем, что максимальный размер преграды в расчетах был ограничен 5,8 диаметрами ударника, в то время как в экспериментах тыльный откол достигал величин 7,8 диаметров ударника.

На рис. 2 представлены фотографии лицевого и тыльного отколов в железобетонной плите толщиной 24 мм при ударе по ней компактного цилиндра со скоростью 462 м/с.

Рис. 2. Вид лицевой (слева) и тыльной (справа) поверхностей железобетонной плиты при ударе компактным ударником со скоростью 462 м/с

На рис. 3 приведен результат расчета, полученный в рамках изложенной выше модели в виде изометрической проекции сечения ударника и железобетонной плиты плоскостью симметрии, иллюстрирующего картину разрушения железобетонной плиты в момент полной остановки ударника. Как и в эксперименте, в плите образовались лицевой и тыльный отколы. Ударник, пробив два слоя армирующей сетки, расположенных у лицевой поверхности

преграды, остановился при соприкосновении с армирующими слоями у тыльной поверхности.

Рис. 3. Картина разрушения в железобетонной плите при ударе компактным ударником со скоростью 462 м/с

На рис. 4 приведены фотографии лицевой и тыльной поверхностей железобетонной плиты толщиной 24 мм после ударного взаимодействия с удлиненным цилиндрическим ударником со скоростью 458 м/с.

Рис. 4. Вид лицевой (слева) и тыльной (справа) поверхностей железобетонной плиты при ударе удлиненным цилиндрическим ударником со скоростью 458 м/с

Рис. 5 иллюстрирует картины разрушения в железобетонной плите, рассчитанные в рамках феноменологического подхода (слева), и по модели, изложенной выше (справа). Различие результатов в первом варианте расчета с данными эксперимента по запреградной скорости ударника составляет 6%, по диаметру лицевого откола - 3 %, по диаметру тыльного откола - 26 %. Различие результатов во втором варианте расчета с экспериментальными данными по запреградной скорости ударника составляет 4 %, по диаметру лицевого откола - 3 %, по диаметру тыльного откола - 26 %.

Рис. 5. Картины разрушения в железобетонной плите. Слева - расчет по феноменологической модели, справа - по модели роста и слияния микроповреждений при динамических нагрузках

Приведенное сравнение данных математического моделирования с результатами проведенных экспериментов показало удовлетворительное согласование для обоих подходов, что позволяет использовать их при расчете разрушений в железобетоне в условиях динамического нагружения. Преимущество предложенной модели состоит в том, что она сравнительно легко может быть обобщена на расчет деформаций и разрушений в высокопористых бетонах, в том числе керамзитобетоне. Кроме того, в рамках этой модели можно исследовать прочность элементов железобетонных конструкций на многократный удар, что позволяет использовать ее для разработки инженерных критериев при проектировании сейсмостойких зданий с железобетонным каркасом.

1. Расчет железобетонных конструкций на взрывные и ударные воздействия / Н.Н. Белов, Д.Г. Копаница, О.К. Кумпяк [и др.]. - Томск : БТТ, 2004. - 466 с.

2. Расчет прочности конструкций из бетонных и железобетонных плит при высокоскоростном ударе / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница [и др.] // ПМТФ. - 2005. - Т. 46. - № 3. -С. 165-173.

3. Разрушение бетонных и железобетонных плит при высокоскоростном ударе и взрыве / С.А. Афанасьева, Н.Н. Белов, Д.Г. Копаница [и др.] // Докл. АН. - 2005. - Т. 401. - № 2. -С. 185-188.

4. Компьютерное моделирование динамики высокоскоростного удара и сопутствующих физических явлений / Н.Н. Белов, В.Н. Демидов, Л.В. Ефремова [и др.] // Изв. вузов. Физика. -1992. - Т. 35. - № 8. - С. 5-48.

5. Динамика удара и сопутствующие физические явления / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница [и др.]. - Томск : БТТ, 2005. - 360 с.

6. Исследование процессов деформирования и разрушения хрупких материалов / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, С.А. Афанасьева [и др.] // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2001. - Т. 7. - № 2. - С. 131-142.

7. Особенности ударно-волнового деформирования пористой керамики А1203. / С.А. Афанасьева, Н.Н. Белов, В.Ф. Толкачев [и др.] // Докл. АН. - 1999. - Т. 368. - № 4. С. - 477-479.

8. Механизм измельчения частиц при получении субмикронных порошков тугоплавких соединений в пневмоциркуляционном аппарате / Н.Н. Белов, Ю.А. Бирюков, А.Т. Росляк [и др.] // Докл. АН. - 2004. - Т. 397. - № 3. - С. 337-341.

9. Модель динамического разрушения мелкозернистого бетона / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница [и др.] // Вестник ТГАСУ. - 2005. - № 1.

Вестник ТГАСУ Ml, 2QQ6

N.N. BELOV, N.T. YUGOV, D.G. KOPANITSA, O.V. KABANTSEV,

A.A. KONYAEV, V.F. TOLKACHEV, A.A. YUGOV,

FRACTURE OF REINFORCED CONCRETE PLATES UNDER HIGH-VELOCITY IMPACT

Two approaches to calculation of strength of reinforced concrete plates under high-velocity impact conditions are considered. Within the framework of phenomenological approach the criteria of strength are expressed through invariant correlation of critical values of stress-strain macro-parameters. The approach based on modeling of formation, growth and confluence of micro defects under dynamic loading is considered as well. The results of experimental researches on impact loading of small-grainy reinforced concrete plates by steel cylindrical projectiles in 340-750 m/s velocity range are presented. The comparison of mathematical modeling data received within the framework of both approaches, as between each other and with the experimental data is carried out.

Н.Н. БЕЛОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

Н.Т. ЮГОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

Д.Г.КОПАНИЦА, докт. техн. наук, профессор,

О. В. КАБАНЦЕВ, канд. техн. наук,

А. А. ЮГОВ, аспирант,

А.Н. ОВЕЧКИНА, аспирант

АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ МОДЕЛЕЙ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН ПРИ ДВУКРАТНОМ ПРОДОЛЬНОМ УДАРЕ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ МЕТОДОМ*

Представлены результаты экспериментальных исследований разрушения моделей бетонных и железобетонных колонн на копровой установке при двукратном продольном ударе. Анализ прочности моделей проведен на основе сопоставления данных эксперимента с результатами математического моделирования.

Задача о расчете разрушения хрупких материалов при повторных ударных нагрузках возникает как при анализе механизмов дробления частиц из высокопрочной керамики и минерального сырья в пневмоциркуляционных аппаратах [1, 2], так и при анализе разрушения железобетонных колонн зданий при сейсмических воздействиях [3].

Типичной картиной разрушения зданий с железобетонным каркасом при сейсмических воздействиях является разрушение бетонного тела колонны

Появление трещин в фундаменте

Рисунок 1. Вид трещин на бетонном фундаменте

Бетон является наиболее востребованным конструкционным материалом. Занимая первое место по объемам производства, он используется только для нужд строительства, что объясняется высокой прочностью и низкой пластичностью, а также комплексом наиболее подходящих для этой сферы эксплуатационных характеристик. Как и любой другой материал, бетон подвержен воздействию разрушающих факторов, что требует проведения специальных мероприятий по защите конструкций уже на этапе изготовления смеси и заливки ЖБК. При выборе марки материала, метода укладки и других особенностей технологического процесса необходимо учитывать те условия, в которых будет эксплуатироваться здание или сооружение, чтобы предотвратить его разрушение. Для этого важно понимать причины и механизмы возможного разрушения бетона.

При эксплуатации на ЖБИ и ЖБК действует множество факторов, которые условно можно разделить на следующие группы:

    , возникающие в результате взаимодействия различных веществ (компонентов бетона, воды и растворенных в ней веществ, газов); (температурные перепады, циклическое замораживание и оттаивание бетонной массы и усадочные процессы, развивающиеся как в процессе заливки бетона, так и со временем); (удары, истирание, вибрационные и другие нагрузки); , возникающие как вследствие естественных процессов, так и в результате неправильного монтажа опалубки, несоответствия характеристик бетона нормативным показателям или ошибок при заливке ЖБК.

Часть из указанных групп факторов является объективной реальностью, поэтому должна учитываться при проектировании конструкций, разработке режимов их монтажа, эксплуатации, защиты и ремонта. Обычно мероприятия по их предотвращению, устранению и минимизации прописаны в СНиПах и другой нормативно-технической документации, например, морозостойкость бетона для изготовления ЖБИ и ЖБК изначально выбирается с учетом условий их эксплуатации.

Другая часть причин имеет случайный характер, например, проявляется вследствие несоблюдения технологии производства и доставки бетона, нарушений в процессе выполнения строительных работ, просчетов при проведении изысканий. В этом случае на первый план выходит оперативность и правильность диагностики разрушений, что позволяет вовремя выполнить ремонтные или защитные работы и продлить срок службы или повысить надежность эксплуатации конструкции.

Химические факторы

В процессе эксплуатации железобетонных конструкций в воздушной среде, на них значительное влияние оказывают все кислые газы. Поскольку основным содержащимся в воздухе веществом этого класса является углекислота (концентрация CO2 на несколько порядков выше концентрации прочих кислых газов), то ее принято считать основным фактором воздействия. Диоксид углерода, взаимодействуя в присутствии влаги с компонентами бетона (продуктами гидратации извести, в частности, Ca(OH)2), вызывает образование карбоната кальция (СaCO3) и H2O по следующей реакции:

Существуют и другие механизмы взаимодействия углекислоты с разными продуктами реакции. Но, в целом, этот процесс можно охарактеризовать, как интенсивный, из-за высокой способности бетона к поглощению влаги и углекислоты из атмосферы и диффузии и капиллярного их переноса в объем материала. Следует учесть, что на первом этапе процесс карбонизации можно рассматривать, как положительный, поскольку образующийся карбонат кальция имеет меньшую растворимость, чем гидроксид кальция, что приводит к повышению прочности бетона. Так как СaCO3 стремится закупорить имеющиеся поры, то процесс проникновения газов вглубь конструкции замедляется.

С другой стороны, глубоко проникшая карбонизация приводит к нежелательным последствиям. При определенных условиях из-за интенсивного выщелачивания развиваются процессы коррозии арматуры, увеличивается ее объем, появляются избыточные напряжения, и, как следствие, трещины и сколы бетона. После этого процесс еще больше интенсифицируется и требует немедленных мер по ремонту конструкции. Диагностика разрушений бетона, вызванных воздействием карбонатов, осуществляется посредством цветового теста с использованием фенолфталеина. Некарбонизированный бетон в результате нанесения на поверхность 1% раствора фенолфталеина краснеет, а цвет карбонизированного не меняется.

Выщелачивание бетона происходит по аналогичному механизму, но требует присутствия влаги с растворенными в ней углекислотой и другими агрессивными компонентами. В результате цементный камень разрушается, и конструкция теряет прочностные свойства. Диагностика выщелачивания бетона производится визуальным методом, при котором контролируется разрушение цементного камня. При воздействии сульфатов происходит образование внутри структуры бетона продуктов реакции (гипса, таумаситов и эттригидов), которые, увеличиваясь в объеме, вызывают возникновение напряжений и разрушение матрицы. Диагностику таких явлений проводят в лабораторных условиях путем изучения дифрактограммы.

Диагностика процесса карбонизации бетона

Рисунок 2. Процесс определения карбонизации бетона

Разрушение хлоридами происходит в условиях воздействия морской воды, антиобледенителей и солей. Хлор, проникая до уровня арматуры, растворяет пассивирующую пленку оксидов железа, запуская процесс коррозии. На скорость проникновения хлоридов влияет их концентрация, влажность и проницаемость бетона. После начала процесса коррозии, как и в предыдущих случаях, из-за появления новых путей проникновения агрессивных веществ происходит нарастающее разрушение бетона. Критическая концентрация хлоридов прямо пропорциональна показателю рН бетона, что позволяет связать механизм разрушения с воздействием карбонатов и обеспечить комплексную защиту конструкций.

Для диагностики разрушения хлоридами используются несколько методов. Путем химического анализа устанавливается их весовая концентрация в цементе. Также диагностика производится при помощи цветового теста или анализа дифрактограммы в рентгеновском спектре. Наиболее доступным методом является цветовой тест, состоящий в обработке бетона раствором нитрата серебра и флуоресцеина и последующем контроле изменения цвета. При разрушении сульфатами бетон приобретает светло-розовую окраску, а при отсутствии этого процесса — темную.

Еще одним химическим механизмом разрушения бетона является взаимодействие щелочей цемента и заполнителей. В состав некоторых заполнителей входит реакционноспособный кремнезем, реагирующий со щелочами и солями натрия и калия с образованием геля, который в присутствии влаги или воды расширяется, разламывая окружающий бетон. В результате образуются силикаты гидратированного калия и натрия с большим объемом, что приводит к появлению трещин на поверхности бетона, подрыву его участков и вспучиванию. На скорость реакции влияет уровень влажности, а так процесс замерзания и оттаивания бетона. Признаки реакции щелочей цемента и заполнителей бетона определяются при помощи цветового теста или визуально. В последнем случае диагностируется набухание и упорядоченное паутинообразное растрескивание. Цветовой тест проводится при помощи кобальтинитрита натрия, позволяя выявить гель по окрашиванию в желтый цвет.

Физические факторы

Из физических факторов, влияющих на прочность бетона, следует выделить усадку и негативные температурные условия.

Усадка делится на два вида:

  • пластическая — наблюдается в пластичной стадии, то есть во время или в первые дни после укладки бетона, и обусловлена быстрым выделением содержащейся в нем влаги. При этом на его поверхности материала образуются провалы, микротрещины или трещины;
  • гигрометрическая — происходит в первые месяцы после схватывания бетона.

Основным методом борьбы с пластической усадкой является укрывание свежеуложенного бетона слоем водонепроницаемой пленки, нанесение материалов, создающих защитную пленку, или орошение водой на протяжении нескольких суток. Избежать гигрометрической усадки позволяет использование добавок, снижающих водоцементное соотношение (В/Ц).

Цикл замерзания и оттаивания — процесс проникновения воды внутрь бетона, ее последующего замерзания с увеличением объема и создание напряжений в теле конструкции. Для предотвращения таких явлений требуется уменьшение капиллярной микропористости на стадии производства бетона за счет добавления воздухововлекающих добавок и морозостойких заполнителей, что позволяет обеспечить оптимальное соотношение В/Ц.

В результате высоких температур также возможно разрушение бетона. В частности, этот процесс может быть обусловлен разными коэффициентами термического расширения арматуры и бетона, разрывом заполнителя с вяжущим, быстрым остыванием материала при тушении пожара водой и другим факторами.

Механические факторы

Эрозия бетонной конструкции

Рисунок 4. Механическое воздействие на бетон

К механическим факторам относятся:

  • истирание за счет регулярного воздействия твердых абразивных частиц, пешеходных и механических нагрузок. Стойкость к истиранию увеличивается за счет повышения водоцементного соотношения или путем насыщения верхнего слоя бетона специальными полимерами или цементами с твердыми добавками;
  • ударное разрушение в результате интенсивных ударов, передвижения механических транспортных средств. Повышения ударостойкости можно добиться применением более прочного бетона, схемой армирования и правильным подбором шовного герметика;
  • выветривание или эрозия за счет воздействия ветра, воды или обледенения, вызывающего оголение поверхности бетона до заполнителя. Если в результате визуального контроля обнаружился процесс эрозии, необходимо обеспечить своевременный ремонт и защиту поверхности бетонной конструкции.

Истирание и ударное разрушение бетона можно предотвратить на этапе разрушения бетона путем правильного выбора состава и методов защиты. Борьба с эрозией состоит в своевременной диагностике и ремонте ЖБК и ЖБИ.

Основные виды дефектов

Из основных видов дефектов отметим следующие явления, связанные с технологическими факторами:

  • наплывы возникают из-за недостаточной подгонки опалубки, проливов или неквалифицированной укладки бетона;
  • выступы на поверхности образуются при использовании неправильной установленной или недостаточно жесткой опалубки;
  • полости в объеме бетона формируются при зависании смеси на опалубке или арматуре, на месте технологических швов или при преждевременном схватывании уложенных ранее слоев;
  • раковины появляются из-за скопления воздуха или воды у поверхности конструкции, при недостатке раствора, плохом уплотнении смеси или ее повышенной жесткости;
  • усадочные трещины возникают при недостаточном уходе за свежеуложенным бетоном;
  • конструктивные и технологические трещины проявляются из-за повреждения ЖБК в результате транспортировки, монтажа, защемления и воздействия эксплуатационных нагрузок.

Методы ремонта повреждений

По степени влияния на несущую способность конструкции выделяют несколько групп повреждений и, соответственно, мероприятий по их ремонту или компенсации. Наиболее «легкими» считаются дефекты, не влияющие на прочность конструкции (пустоты, поверхностные раковины, выбоины, трещины, разрушение поверхностного слоя). Они не требуют срочного ремонта, но должны быть устранены в плановые сроки для предотвращения дальнейшего развития или образования новых мелких трещин. В этом случае обязательно необходимо обеспечить защиту конструкции от воздействия внешних разрушающих факторов.

При диагностике повреждений, снижающих долговечность и надежность конструкции (пустот, сколов и раковин с оголением арматуры, глубинной или поверхностной коррозии бетона), необходимо в безотлагательном порядке провести мероприятия по их устранению. В частности, производится заделка пустот и трещин, удаление рыхлого и корродирующего слоев бетона и последующее нанесение специальных материалов.

При обнаружении повреждений, снижающих несущую способность конструкции (наклонных, горизонтальных трещин в объеме несущих конструкций, пустот в сжатых зонах, трещин в сопряжениях плит и др.), производится срочный ремонт. В большинстве случаев ликвидация таких дефектов требует разработки индивидуального проекта.

Бетонные и железобетонные конструкции в процессе эксплуатации постоянно подвергаются разрушению. Причины бывают разные: химическое и физическое воздействие окружающей среды, высокие эксплуатационные нагрузки, низкое качество используемого бетона, неточности при проектировании, ошибки при укладке бетонной смеси и т.д.

В целом, причины разрушения бетона можно разделить на 4 больших группы:

prichiny_razrusheniya_betona.jpg

1. ХИМИЧЕСКИЕ
Являются следствием взаимодействия Компонентов бетонной смеси между собой или с окружающей средой

  • Карбонизация
  • Выщелачивание
  • Агрессивное воздействие сульфатов
  • Агрессивное воздействие хлоридов
  • Взаимодействие щелочей цемента с заполнителем

2. ФИЗИЧЕСКИЕ
Являются следствием воздействия температуры или условий твердения бетона.

  • Циклы замораживание/оттаивание
  • Воздействие высоких температур
  • Усадка и растрескивание

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ
Являются следствием внешнего воздействия

  • Истирание
  • Ударное воздействие
  • Эрозия или кавитация.

4. ДЕФЕКТЫ ПРИ НОВОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Связаны с ошибками в процессе производства работ

  • Приготовление бетонной смеси
  • Устройство арматурного каркаса
  • Укладка и уход за поверхностью и т.д

Далее мы подробно разберем причины разрушения бетона, приведем типовые примеры и решения.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА

Карбонизация

Процесс карбонизации бетона возникает вследствие проникновения углекислого газа (СО2) в тело бетонной конструкции с образованием карбоната кальция (CaCO3), который в свою очередь снижает защитные свойства бетона.

Защитные свойства бетона измеряются с помощью показателя кислотности pH. pH здорового бетона превышает 13 единиц.

В этих условиях на стержнях арматуры возникает пассивирующая защитная пленка оксида железа (FeO), изолирующая их от негативного воздействия извне, препятствуя образованию коррозии. В результате процесса карбонизации pH бетона снижается.

Когда уровень pH бетона становится ниже 11 единиц, пассивирующая защитная пленка вокруг арматуры нейтрализуется и стальная арматура становится подверженной воздействию кислорода и влаги.

В дальнейшем коррозия арматуры начинает прогрессировать, и бетон, окружающий арматуру, отслаивается, что в свою очередь открывает новые пути доступа для разрушающего воздействия кислорода и влаги

Следствием карбонизации является прогрессирующее разрушение бетонной конструкции, сопровождающееся процессами коррозии арматурных стержней.

Чтобы убедиться в том, что разрушение бетона вызвано образованием карбонатов, применяется методика, основанная на изменении цвета бетонного образца после специальной обработки. Бетонный образец обрабатывается 1% раствором фенолфталеина в этиловом спирте (стандарт UNI EN 13295:2005). Поверхность здорового бетона, обработанная таким образом, краснеет. Поверхность карбонизированного бетона после обработки цвет не меняет.

Выщелачивание

Бетон также подвержен такому явлению как выщелачивание. Выщелачивание представляет собой процесс размывания цементного камня под воздействием воды.

Такие методы, как химический, термический анализ, методики, основанные на дифракции рентгеновских лучей, не могут быть применимы при анализе выщелачивания бетона. Вещество, которое получается в процессе разрушения подобного типа, представляет собой отлично растворимый в воде бикарбонат кальция. Вымываясь с поверхности, он не оставляет следов для подробного анализа. Еще одной причиной, по которой вышеперечисленные тесты непригодны, является тот факт, что на первой фазе образования бикарбоната возникает карбонат кальция, который присутствует в большинстве видов бетона, поэтому установить, входит ли он в состав этих материалов, или образовался из-за агрессивного воздействия двуокиси углерода, не представляется возможным.

Единственным методом выявления выщелачивания бетона является пристальный визуальный осмотр поверхности. На поверхности бетона, подверженного выщелачиванию, будут видны обширные зоны заполнителя, не связанные цементным камнем.


Агрессивное воздействие сульфатов

Наиболее распространенными растворимыми сульфатами, встречающимися в грунте, воде и промышленных стоках, являются соли кальция и натрия.

Можно также упомянуть и сульфаты магния, но они менее распространены, хотя и наиболее разрушительны.

Сульфаты присутствуют в воде и грунте, кроме того, их можно встретить непосредственно в заполнителе, где они являются загрязняющими примесями. Сульфаты, находящиеся в грунте или воде, контактируют с сооружением, их ионы проникают вместе с влагой в цементный камень бетона (основной механизм переноса), реагируют с гидроокисью кальция, в результате чего образуется гипс.

Впоследствии он реагирует с гидроалюминатами кальция, из-за чего формируется вторичный эттрингит, который приводит к увеличению объема, расслоению, набуханию, растрескиванию и разрушению.

Чтобы убедиться в том, что разрушение бетона вызвано воздействием сульфатов, необходим химический анализ, позволяющий установить уровень их присутствия. В обычном бетоне содержание сульфатов кальция не превышает 0,4-0,6 %.


Агрессивное воздействие хлоридов

Воздействие хлоридов наблюдается в условиях контакта со средой, отличающейся высоким их содержанием, например, с морской водой или антиобледенительными солями, а также в случаях, когда при изготовлении бетона используются загрязненные сырьевые материалы.

Если хлор проник в бетон и достиг арматурных стержней, он снимает с них пассивирующую защитную пленку оксидов железа.

Коррозия появляется в результате проникновения внутрь конструкции хлоридов, снимающих защитную пассивирующую пленку с арматуры, в сочетании с воздействием влаги, содержащей кислород.

Например, в случае, если сооружение полностью погружено в морскую воду, содержание хлора будет выше. Однако поры бетона будут полностью насыщены водой, препятствующей проникновению кислорода. Коррозия арматуры в данном случае может либо вообще не протекать, либо наблюдаться в малой степени.

Однако если рассмотреть другое сооружение, погруженное в морскую воду, с участком, находящимся на открытом воздухе и подверженном морским брызгам, то участком, который в наибольшей степени подвержен разрушению, будет являться зона оседания брызг. Соли, используемые зимой на дорогах в качестве антиобледенительных реагентов, проникают во время таяния и дождей в бетонную конструкцию, вызывая коррозию и разрушение. Как только этот процесс начинается, где бы сооружение ни находилось, коррозия будет продолжаться с увеличенной скоростью, поскольку образуются легкодоступные пути для проникновения агрессивных веществ.

Концентрация хлоридов, требуемая для поддержания коррозии арматурных стержней, прямо пропорциональна рН бетона. Чем выше щелочность, тем больше концентрация хлоридов, которая требуется для начала процесса коррозии. Этим данный процесс разрушения бетона похож на процессы, возникающие вследствие карбонизации.


Взаимодействие щелочей цемента с заполнителем

В результате взаимодействия щелочей цемента с заполнителем могут происходить существенные разрушения бетонных сооружений. Некоторые типы заполнителей, например, содержащие реакционноспособный кремнезем, взаимодействуют с двумя щелочами, которые находятся в цементе, солями калия и натрия или солями этих металлов, которые поступают извне в форме хлорида натрия (противообледенительные реагенты, морская вода).

Взаимодействие щелочей цемента с заполнителями бетона представляет собой медленно протекающий гетерогенный процесс, поскольку он связан с составом заполнителей, содержащих аморфный кремнезем. В результате реакции в подобных условиях образуются силикаты натрия и гидратированный калий, отличающиеся чрезвычайной объемистостью. Реакции взаимодействия щелочей цемента с заполнителями бетона проявляются в защитном слое бетона. При этом на поверхности появляются микро- и макротрещины, или даже начинается подрыв небольших участков бетона над областями, где в заполнителях имеется реакционноспособный кремнезем (явление вспучивания). Этот феномен, в частности, наблюдается на полах промышленных зданий.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА

Циклы замораживание/оттаивание

Негативное воздействие льда проявляется только тогда, когда вода в жидкой фазе проникает внутрь бетона. Это вовсе не означает, что бетон должен быть абсолютно сухим, просто уровень влажности не должен превышать определенную величину, называемую «критическим насыщением». Речь идет о том, что количество воды в порах должно быть меньше этой величины. Расширившись при превращении в лед, она должна оставаться в пределах полостей и не создавать напряжения. Однако если вода заполняет или почти заполняет весь объем пор, а затем замерзает, лед начнет ломать бетон, создавая внутреннее давление.

tsikly_zamorazhivaniyeottaivaniye.jpg

Чтобы ограничить негативные последствия влияния низких температур, необходимо принять меры к сокращению капиллярной микропористости и стимулировать макропористость (чтобы размеры полостей были 100-300 мкм). Для этого при приготовлении бетона используют воздухововлекающие добавки, которые поддерживают соотношение между водой и цементом на низком уровне, используют морозостойкие заполнители.


Воздействие высоких температур

Влияние на бетон высоких температур носит деструктивный характер. Арматурные стержни выдерживают температуры до 500°С, а бетон — до 650°С. Роль бетона, окружающего арматурные стержни, в этом случае носит фундаментальный характер — он замедляет распространение тепла. Чем толще бетон, тем дольше протекает разогрев до температуры 500°С, при которой арматурные стержни теряют прочность.

Огонь способен привести ко многим видам повреждения бетона, причем в очень серьезных масштабах.

  • Даже если арматурные стержни защищены бетоном, они, разогреваясь, увеличиваются в объеме, создают в бетоне очаги напряжения, что может привести к частичному его разрушению.
  • Арматурные стержни, нагреваясь, расширяются значительно быстрее бетона, при этом теряется сцепление арматуры с бетоном.
  • Даже если температура, при которой теряется несущая способность, не достигнута, бетон может утратить свои эксплуатационные качества при внезапном охлаждении, что обычно наблюдается при пожаротушении. В этой ситуации оксид, образовывающийся при нагреве, трансформируется в известь, которая разрушает бетон.
  • На поверхности, обращенной к огню, наблюдается растрескивание, вызванное быстрым расширением. Некоторые заполнители разрываются и могут отделиться от окружающего бетона. При этом происходит то же явление, что и при быстрой конденсации водяного пара, сопровождающейся небольшими взрывами.
  • Если воздействие огня носит длительный характер, арматурные стержни достигают температуры, при которой теряют прочность на растяжение, в результате разрушается все сооружение.

Усадка и растрескивание

В этом разделе обсуждается два типа усадки — пластическая и гигрометрическая. Пластическая усадка наблюдается, когда бетон находится в пластичной фазе и выделяет часть влаги, содержащейся внутри него, в окружающее пространство, что приводит к сжатию. Растрескивание в этом случае зависит от условий в среде, окружающей уложенный бетон.

usadka_i_rastreskivaniye.jpg

При укладке бетона в опалубку по очевидным причинам испарение не наблюдается. Если же бетон непосредственно контактирует с окружающей средой, происходит испарение, вызванное сравнительно высокой температурой и очень низкой влажностью снаружи либо сильным ветром. При пластической усадке свежего бетона на его поверхности могут возникать микротрещины. Гигрометрическая усадка вызвана выделением влаги в окружающую среду с низким уровнем относительной влажности в течение всего срока эксплуатации сооружения.

Чтобы избежать проблем, создаваемых пластической усадкой, следует принять меры для остановки слишком быстрого испарения имеющейся воды. Это можно реализовать несколькими способами:

  1. Укрыть уложенный бетон водонепроницаемым материалом, который препятствует испарению.
  2. Орошать всю поверхность бетона водой в течение первых нескольких дней после укладки.
  3. На свежий бетон нанести материал, создающий защитную пленку, которая препятствует испарению.

Поскольку по большей части гигрометрическая усадка протекает в течение первых шести месяцев после укладки, поддерживать влажность все это время не представляется возможным. В связи с этим прибегают к таким мерам, как снижение водоцементного отношения и увеличение соотношения между инертными материалами и цементом.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА

Истирание

Истирание наблюдается, когда материал подвергается повторяющимся ударам более твердых частиц. Это вызвано трением между порошком из более твердых пород о поверхность материала. Отсюда следует, что истирание напрямую зависит от характеристик материалов, из которых состоит бетон. Таким образом, стойкость к истиранию можно повысить за счет уменьшения пропорции между водой и цементом или путем нанесения на поверхность бетона смеси цемента с твердыми добавками и заполнителями.

К числу сооружений, которые в наибольшей степени подвержены этому явлению, относятся полы промышленных объектов, чье состояние постоянно ухудшается вследствие непрерывного движения транспортных средств.

Ударное воздействие

Другой формой разрушения механической природы являются ударные воздействия. В этом случае приходится учитывать множество факторов, поскольку бетон является хрупким материалом, который в результате достаточно интенсивных ударов разрушается, а прочность его снижается. Ущерб, наносимый в результате ударов, визуально проявляется не сразу.

В некоторых случаях должно пройти множество циклов подобного воздействия, например, в стыках бетонного покрытия при движении механических транспортных средств. В этой ситуации единственный способ избежать разрушения — изготовить как можно более прочный бетон.

Чтобы повысить ударостойкость, можно прибегнуть к армированию стальными волокнами, что способствует более равномерному распределению энергии ударного воздействия по всей конструкции.

Эрозия

Эрозия — это частный случай износа, вызываемый ветром, водой или льдом, который сопровождается уносом материала с поверхности. Характер процесса определяется скоростью движения, концентрацией твердых частиц пыли и качеством бетона. В этом случае единственным средством защиты являются специальные меры при изготовлении бетона. Следует воспользоваться теми же рекомендациями, что и при истирании.

Кавитация

Кавитация наблюдается там, где присутствует поток воды (при скорости свыше 12 м/с). Быстрое движение воды и неровная поверхность канала, по которому она протекает, способствуют возникновению турбулентного течения и образованию зон пониженного давления, где формируются вихри, вызывающие эрозию стенок. Воздушные пузырьки, которые образуются в потоке воды ниже по ходу течения, попадая в зоны повышенного давления, лопаются, оказывая сильное ударное воздействие, приводящее к эрозии. При очень большой скорости течения воды масштабы кавитации могут быть довольно серьезными. Кавитации можно избежать, создавая гладкие поверхности без каких-либо препятствий для течения воды.

Читайте также: