KINETIC CHARACTERISTICS OF FRACTURE PROCESSES AS CRITERIA OF CONCRETE DURABILITY

Full Text

Долговечность конструкционных материалов, в том числе и строительных, в значительной мере определяется скоростью их разрушения в условиях эксплуатации и зависит как от вида внешнего воздействия, так и от его интенсивности [1-4]. При этом, в отличие от других материалов, конструкционный бетон имеет ту особенность, что его долговечность не только обеспечивает надёжность эксплуатации зданий и сооружений, но в значительной степени повышает эффективность капитальных вложений. Как показывает опыт, затраты на эксплуатацию зданий и сооружений, как правило, превышают первоначальные капитальные вложения в течение срока службы строительных конструкций. Поэтому чем точнее определены сроки безотказной эксплуатации бетонной или железобетонной конструкции, тем эффективнее капитальные вложения, тем длительнее межремонтные сроки эксплуатации здания или сооружения и тем меньше затраты на их эксплуатацию. В настоящее время практически отсутствуют количественные методы прогнозирования долговечности конструкционного бетона, как, впрочем, и в целом зданий и сооружений. Для Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 100 ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА этого существует набор качественных показателей в виде капитальности зданий и требований нормативных документов, где ряд параметров бетона регламентируются на уровне «не хуже». При этом, учитывая особенности строительства, а также низкий уровень технологической дисциплины и контроля качества в российском строительстве, трудно надеяться на то, что любое возведённое здание или сооружение «продержится» до планового капитального ремонта без дополнительных работ по поддержанию его работоспособности. Бетонные и железобетонные конструкции, используемые в настоящее время практически повсеместно и для различного назначения в больших объемах, отличаются от конструкций, выполненных из других материалов, тем, что их структура, прочностные и эксплуатационные свойства возможно прогнозировать только с определенной вероятностью. На строительной площадке, да и в заводских условиях, свойства материала формируются непосредственно в конструкции. Их нельзя, как, например, стальные или пластмассовые конструкции, собрать из проката или деталей, изготовленных в заводских условиях при строго регламентированных технологических параметрах. При изготовлении бетонных и железобетонных конструкций и изделий вариация технологических параметров зачастую в несколько раз выше по сравнению с требованиями технологии. Поэтому большое значение имеет не только повышение культуры производства, но и контроль качества полученной строительной продукции, который позволяет гарантировать долговечность конструкций. Как показывают исследования, в том числе и выполненные авторами данной статьи [5, 6], долговечность бетона является следствием процессов трещинообразования, проявляющихся в его структуре под внешним воздействием (силовым, низкотемпературным, влажностным и др.). Именно кинетика их протекания и в конечном итоге их последствия в виде процессов разрушения материала определяют сроки службы любой бетонной или железобетонной конструкции. В данной работе предлагаются количественные критерии оценки долговечности бетона как конструкционного материала, в качестве которых предложены кинетические характеристики процессов разрушения бетона при определенном виде воздействия: склонность бетона к трещинообразованию и интенсивность трещинообразования. Исследования процессов разрушения бетона, выполненные авторами данной работы, показали, что, как и другие конструкционные хрупко разрушающиеся материалы, последний имеет три стадии разрушения, независимо от вида и интенсивности внешних воздействий. Они квалифицируются тремя уровнями энергетического состояния в соответствии с основными положениями энергетической теории разрушения [6-8]. На первом уровне, при малой интенсивности внешнего воздействия, энергия разрушения бетона мала, что объясняется малым числом и небольшими параметрами образованных в материале трещин. На следующем уровне, по мере повышения интенсивности внешнего воздействия, энергия разрушения возрастает и достигает такой величины, что может фиксироваться приборами. При этом количество трещин и их параметры возрастают, они начинают объединяться и намечаются пути развития магистральных трещин. Этот этап в физике разрушения называется этапом «подготовки разрушения». И на последнем этапе, называемом собственно «разрушение», увеличение интенсивности внешнего воздействия приводит к образованию магистральных трещин и разделению материала на отдельные части, не способные противостоять внешним воздействиям. На этом этапе энергия разрушения достигает максимального значения, характеризующего энергетические способности разрушенного материала. Для исследований были использованы образцы из шестнадцати составов бетона с различными составами, приведенными в табл. 1. Авторам данной работы удалось математически описать последовательность разрушения бетона на всех трех этапах его деструкции при циклическом низкотемпературном, силовом воздействии сжатием, растяжением и изгибом, а также при гидростатическом давлении [10]. При этом был использован математический аппарат энергетической теории механики разрушения, основанный на работах А.А. Гриффитса [11] и кинетической концепции С.Н. Журкова [12]. Исследования показали, что скорость разрушения бетона зависит от двух видов характеристик: начальных параметров структуры материала и кинетических характеристик, количественно связывающих скорость приложения внешнего воздействия к материалу со скоростью его разрушения. К начальным параметрам структуры бетона были отнесены: поверхностная энергия, модуль упругости, коэффициент Пуассона и прочность бетона на сжатие; к кинетическим - склонность бетона к трещинообразованию и интенсивность трещинообразования. Количественные значения начальных физико-механических параметров представлены в табл. 2. А. Ю. Давиденко, В. П. Попов, Д. В. Попов 101 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 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 воздушносухом и водонасыщенном состоянии № п/п Модуль упругости Е, МПа Коэффициент 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 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 102 ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА Анализ кинетических характеристик показал, что они достаточно информативны, доступны для физического понимания и могут быть определены экспериментальным путем. В частности, склонность бетона к трещинообразованию имеет размерности, включающие в себя опосредованный временной параметр: м/цикл при низкотемпературном циклическом воздействии или м/Па при силовом или гидростатическом давлении. Интенсивность трещинообразования - величина безразмерная, характеризующая относительный уровень разрушения материала при определенном уровне его нагружения внешним воздействием. Принятая авторами методика определения значений совокупности кинетических характеристик [3] через выполнение экспериментальных исследований и проведение лабораторных испытаний материала по стандартным методикам и вычисление последних позволили получить их количественные значения, представленные в табл. 3. Было отмечено, что эти характеристики достаточно чувствительны к интенсивности приложения внешнего воздействия и в какой-то мере могут служить критерием долговечности бетона. В частности, была установлена количественная связь между интенсивностью нагружения материала и значениями совокупности кинетических характеристик. А также отмечено влияние влажности и пористости на значения кинетических характеристик. Зависимость совокупности кинетических характеристик от пористости представлена графически на рис. 1 и 2. В настоящее время ведутся исследования по разработке относительно простой и достаточно достоверной методики определения кинетических характеристик процессов разрушения бетона, которые позволили бы квалифицировать долговечность бетона в зависимости от интенсивности внешнего воздействия определенного вида. При этом особое внимание уделяется неразрушающему способу, позволяющему определить реальный уровень разрушения материала в конструкции. Перспективным в этом направлении является акустический метод определения затухания ультразвука при различных уровнях нагружения материала. Таблица 3 Значения совокупности кинетических характеристик в воздушносухом и водонасыщенном состоянии № п/п Совокупность кинетических характеристик Воздушносухие Водонасыщенные 1 16,06 16,33 2 4,46 10,01 3 8,91 3,79 4 2,51 5,14 5 25,68 13,34 6 5,74 14,89 7 11,62 7,36 8 5,6 10,93 9 7,09 7,15 10 19,36 10,03 11 6,71 7,17 12 10,7 18,87 13 9,54 4,24 14 9,41 10,86 15 7,42 3,69 16 11,03 10,06 А. Ю. Давиденко, В. П. Попов, Д. В. Попов 103 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Выводы. Выполненные авторами исследования позволяют развить и в дальнейшем применить на практике количественный метод прогнозирования долговечности конструкционного бетона на базе измерения значений кинетических характеристик процессов его разрушения, таких как склонность бетона к трещинообразованию и интенсивность трещинообразования [13, 14]. Рис. 1. Зависимость совокупности кинетических характеристик от капиллярной пористости для образцов в воздушносухом состоянии Рис. 2. Зависимость совокупности кинетических характеристик от капиллярной пористости для образцов в водонасыщенном состоянии

About the authors

Anna Yu. DAVIDENKO

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Valery P. POPOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Dmitry V. POPOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files