INFLUENCE OF HUMIDITY ON THE SURFACE ENERGY OF CONCRETE

Full Text

Широкое распространение бетона и железобетона в практике строительства, объясняемое рядом параметров, из которых главным является то, что это местный строительный материал и исходное сырье можно найти в любом регионе России, потребовало дополнительных исследований в области совершенствования его структуры и методов контроля качества выпускаемой продукции. При этом особое место занимают исследования, объясняющие поведение материала при его работе в условиях различного вида внешних воздействий. Как показали многочисленные исследования, несущая способность бетона и его долговечность зависят от кинетики процессов его разрушения. Современная наука, называемая «механика разрушения», позволяет не только объяснить физическую картину работы материалов при внешнем воздействии, но и построить математические модели, описывающие особенности разрушения материала при силовом, температурном и других видах воздействий. Математическое описание процессов разрушения материалов, в том числе и бетонов, позволяет выделить их начальные характеристики, контроль которых в процессе изготовления конструкции или изделия позволяет выпускать продукцию требуемого качества. Современные конструкционные бетоны работают в широком диапазоне внешних воздействий, таких как силовые, температурные, влажностные и др. Причем последние могут носить как статичный, так и цикличный характер действия. Следует отметить, что, как правило, внешнее воздействие на бетон носит комплексный характер. Так, любая бетонная конструкция, работающая вне зданий или сооружений, воспринимает силовое, влажностное и температурное воздействия, и на процесс ее разрушения оказывают влияние все эти три вида. При этом необходимо определить, какие из начальных характеристик наиболее чувствительны к каждому из видов внешнего воздействия. В данной работе приводятся результаты исследования процессов разрушения бетона при различных видах внешнего воздействия и их математическое описание [1, 2]. Показано, что при любых видах разрушения существует ограниченное число начальных характеристик бетона. Оценено влияние влажности на значения последних. Исследования, выполненные авторами данной работы, показали, что бетон разрушается, как и другие конструкционные материалы, - хрупко, лавинообразно. Это позволило использовать для математического описания процессов его деструкции энергетическую теорию механики разрушения, основанную на работах А. А. Гриффитса [3], и кинетическую концепцию механики разрушения С. Н. Журкова [4]. При этом необходимо учесть, что с точки зрения энергетической концепции бетон, как любой другой хрупкий материал, имеет три стадии разрушения, отличающиеся энергией трещинообразования. На первой стадии, при незначительных по величине внешних воздействиях, в бетоне развивается сеть мелких трещин, небольших по величине. Как правило, при этом увеличиваются площади начальных дефектов структуры материала и они превращаются в плоские дефекты в виде микротрещин. Энергия трещинообразования ничтожно мала и практически не подлежит приборной регистрации. На второй стадии, называемой «этапом подготовки разрушения», по мере роста величины внешнего воздействия микротрещины объединяются в макротрещины и намечаются направления развития магистральных трещин. Энергия разрушения в этом случае четко фиксируется аппаратурой, и по величине она на несколько порядков выше энергии, фиксируемой на первом этапе. На третьем этапе разрушения, называемом собственно «разрушение», происходит слияние макротрещин и превращение их в магистральные трещины. Последние разделяют бетонный элемент на отдельные части, не способные воспринимать внешние воздействия. Величина энергии трещинообразования на текущем этапе на несколько порядков превышает величины, зафиксированные на втором этапе разрушения. Используемые авторами математические модели позволяют описать все три стадии разрушения материала и выявить комплекс параметров, отвечающих за кинетику их развития [5-8]. Было установлено, что все характеристики процессов разрушения бетона, независимо от вида внешнего воздействия, можно разделить на две группы: начальные, определяемые как структурные характеристики материала, и кинетические, зависящие от интенсивности внешних воздействий. К первой группе авторами отнесены: поверхностная энергия, модуль упругости и коэффициент Пуассона, ко второй - склонность бетона к трещинообразованию и интенсивность трещинообразования. Исследования выполнялись на шестнадцати составах бетона, отличающихся технологическими параметрами изготовления, видом и расходом цемента, составом бетонной смеси по массе и водоцементным отношением, а также наличием химической добавки. Составы исследуемых бетонов приведены в табл. 1 Этими же исследованиями было установлено, что значения всех трех начальных физико-механических характеристик находятся в прямой зависимости от влажности материала, что было выявлено при сравнении результатов испытаний образцов в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях. При этом наименее чувствительной характеристикой к действию влаги является коэффициент Пуассона, а наиболее чувствительной - поверхностная энергия. Определение значений модуля упругости и коэффициента Пуассона выполняли акустическим методом, практически реализованным путем измерения скоростей прохождения продольных и сдвиговых ультразвуковых волн по методике [9]. Поскольку авторами впервые в практику расчетов параметров бетона введена характеристика, называемая «поверхностной энергией», и отсутствовала методика её определения, ими же она и была разработана. В частности, было предложено определять значения поверхностной энергии на образцах бетона в виде пластин, имеющих в центре отверстие, через которое на образец передавалось усилие растяжения. Образец испытывался на устройстве, похожем на разрывную машину. При этом фиксировались усилия разрушения и замерялась площадь разрушенной поверхности образца. С целью исследования оценки влияния влажности на значения модуля упругости, коэффициента Пуассона и поверхностной энергии испытания выполнялись в несколько этапов [10, 11]. На первом этапе образцы-пластины после твердения в течение 28 суток с момента изготовления в нормальных условиях высушивались в сушильном шкафу до стабилизации массы, затем помещались в воду и по мере насыщения их влагой на них определялись значения модуля упругости, коэффициента Пуассона и поверхностной энергии. Испытания В. П. Попов, А. Ю. Давиденко, Д. В. Попов 81 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 заканчивались тогда, когда образцы в процессе замачивания достигали стабилизации массы. Полученные значения физико-механических характеристик приведены в табл. 2. Результаты исследования показали следующее. Изменения значений коэффициента Пуассона были незначительными, по сравнению с другими характеристиками, и не превышали 5 %. Изменения значений модуля упругости были более существенными и достигали 35 % Рис. 2. Зависимость прочности бетона от поверхностной энергии для образцов в водонасыщенном состоянии Рис. 1. Зависимость прочности бетона от поверхностной энергии для образцов в воздушно-сухом состоянии в меньшую сторону. Наиболее чувствительной к наличию влаги в структуре бетона оказалась поверхностная энергия; ее значения, полученные на отдельных образцах, изменялись в 6-8 раз по отношению к первоначальным, определенным в сухом состоянии, и так же в меньшую сторону. Это наглядно можно увидеть на графиках зависимости прочности бетона на сжатие от поверхностной энергии в сухом и водонасыщенном состояниях, которые представлены на рис. 1, 2. Прочность бетона на сжатие RсжПрочность бетона на сжатие R , МПа сж, МПа Удельная поверхностная энергия ν, Дж/м2. y = -0,2929x3 + 1,5953x2 + 3,4961x + 12,336 R2 = 0,8536 Удельная поверхностная энергия ν, Дж/м2. y = 0,382x4 - 8,1013x3 + 60,015x2 - 179,71x + 207,01 R2 = 0,6489 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 82 ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА Таблица 1 Составы исследуемых бетонов № п/п Вид цемента Расход цемента, кг/м3 Водоцементное отношение В/Ц Состав бетонной смеси по массе Ц:П:Щ Расход химической добавки ПАЩ-1, % 1 Быстротвердеющий портландцемент 375 0,4 1:1,59:3,18 - 2 375 0,6 1:1,52:3,03 - 3 625 0,4 1:0,78:1,57 - 4 625 0,6 1: 0,72:1,44 - 5 Алюминатный портландцемент 375 0,4 1:1,59:3,18 - 6 375 0,6 1:1,52:3,03 - 7 625 0,4 1:0,78:1,57 - 8 625 0,6 1: 0,72:1,44 - 9 Шлакопортландцемент 500 0,7 1:0,83:1,67 - 10 300 0,7 1:1,81:3,62 - 11 500 0,5 1:1,90:1,80 - 12 300 0,5 1:1,94:3,88 - 13 500 0,7 1:0,83:1,67 0,4 14 300 0,7 1:1,81:3,62 0,2 15 500 0,5 1:1,90:1,80 0,4 16 300 0,5 1:1,94:3,88 0,2 Таблица 2 Значения физико-химических характеристик в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии № п/п Модуль упругости Е, МПа Коэффициет Пуассона μ Удельная поверхностная энергия ν, Дж/м2 Прочность на сжатие Rсж, МПа Воздушносухие Водонасыщенные Воздушносухие Водонасыщенные Воздушносухие Водонасыщенные Воздушносухие Водонасыщенные 1 30561,3 37167,6 0,220 0,219 4,87 3,79 39,1 38,8 2 21818,2 26113,3 0,221 0,210 7,24 1,28 25,9 21,2 3 22862,3 32295,7 0,218 0,155 8,54 2,68 35,2 28,5 4 25382,4 27897,5 0,187 0,206 6,11 2,82 26,0 23,1 5 20374,2 26337,7 0,248 0,235 2,15 1,37 27,0 21,5 6 17118,0 22790,6 0,254 0,243 3,41 0,55 17,7 14,9 7 22522,6 29504,6 0,196 0,212 3,35 0,46 19,4 14,1 8 22007,1 24651,6 0,237 0,233 2,48 0,51 18,2 14,2 9 21138,3 25160,6 0,229 0,221 4,06 1,11 23,7 17,0 10 15481,9 18469,9 0,237 0,243 3,27 1,07 22,1 15,5 11 26189,5 29894,3 0,218 0,204 6,34 2,56 30,6 25,9 12 22894,6 25990,4 0,234 0,221 5,85 2,92 37,8 32,8 13 22815,6 24457,1 0,217 0,174 4,23 3,50 28,6 26,5 14 22561,9 24064,0 0,198 0,212 3,30 2,60 28,6 26,6 15 25174,0 26801,1 0,201 0,163 6,50 5,04 33,9 31,3 16 24367,3 25266,9 0,220 0,219 6,57 5,34 35,2 32,6 В. П. Попов, А. Ю. Давиденко, Д. В. Попов 83 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 На наш взгляд, проведенные исследования объясняют наличие эффекта снижения прочности бетона при его замачивании и явления, наблюдаемого при замачивании других природных каменных материалов и называемого «размягчением». Кроме того, проведенные исследования убеждают в необходимости учета влияния влажности бетонов на прочностные и эксплуатационные характеристики материала при проектировании и подборе составов. Такой учет позволит продлить сроки эксплуатации конструкций и изделий. Выводы. Выполненные исследования показали, что скорость разрушения бетонных и железобетонных конструкций и изделий при различных видах внешнего воздействия в значительной мере зависит от влажности материала, поскольку последняя меняет значения всех трех начальных параметров бетона: поверхностной энергии, модуля упругости и коэффициента Пуассона, отвечающих за его прочность и долговечность. Выявлено, что значения этих характеристик меняются в сторону уменьшения. Наиболее чувствительной к количеству влаги в структуре бетона признана поверхностная энергия. Выполненные исследования объясняют наблюдаемый многими исследователями факт снижения прочности бетона по мере его водонасыщения. Приведенные данные также позволяют рекомендовать учитывать потерю прочностных и эксплуатационных параметров при подборе состава бетона тех конструкций, которые в процессе эксплуатации будут подвергаться регулярному замачиванию.

About the authors

Valery P. POPOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna Yu. DAVIDENKO

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Dmitry V. POPOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files