Диарамма состояний бетона и и параметрические точки

Рассмотренные особенности деформирования бетона вызваны образованием и развитием микроразрушений. Исследования позволили выявить некоторые закономерности этих процессов. Можно считать установленным, что микроразрушения, переходящие затем в макроразрушения, определяют прочность бетона при разнообразных видах нагружения (однократное статическое и динамическое нагружение, многократно повторяющаяся нагрузка, длительно действующая нагрузка) и особенности -деформирования на тех стадиях нагружения, когда эти процессы начинают развиваться. Неоднородность структуры цементного камня и наличие водных пленок создают зоны ослабленных связей, с которых в последующем начинается разрыхление и разрушение структуры бетона. Начальные нарушения структуры могут и не развиваться под действием напряжений сжатия. Однако образование новых очаговых разрушений может приводить к появлению микротрещин, развитых поверхностей разрушения и макроразрушений. Представляется необходимым ввести обобщенные параметры, характеризующие эти крайне сложные явления. Для характеристики происходящих в структуре бетона изменений диаграмму сжатия (растяжения) бетона следует сопоставить с диаграммой состояний бетона. Диаграмма состояний может быть выражена кривой изменения времени прохождения ультразвуковых колебаний в бетоне. Как известно из теории ультразвука, скорость распространения ультразвуковых колебаний зависит от величины модуля упругости материала, но еще в большей степени она чувствительна к самым незначительным нарушениям структуры материала. Диаграмма состояний представляется в виде кривой изменения времени прохождения ультразвукового импульса через образец в направлении, нормальном к оси образца, вдоль которой прикладывается нагрузка (см. рис. 7, б). Микроскопическими наблюдениями фиксируется развитие микроразрушений вдоль усилия сжатия. Ультразвуковые колебания в продольном направлении распространяются с меньшими помехами. Замедление распространения ультразвука свидетельствует об ухудшении акустических контактов и развивающихся нарушениях структуры. Как следует из диаграммы состояний, в начальной стадии нагружения происходит разуплотнение, по-видимому, наименее устойчивых структур. Границе RQT на диаграмме состояний соответствует наименьшее время прохождения ультразвука через образец. На диаграмме наглядно видны процессы уплотнения материала (об этом свидетельствует уменьшение времени прохождения импульса), разуплотнения, развития микроразрушений (выше границы #?) и последующего интенсивного развития микроразрушений структуры (после пересечения кривой^с осью ординат). Пересечение кривой с осью ординат R т отражает существенные изменения напряженного и деформированного состояний материала под нагрузкой. Может быть выделена граница RvTy когда микроразрушения начинают превалировать над процессами уплотнения. Анализ объемного деформирования бетона при сжатии (основном виде сопротивления материала в конструкциях) и изменения величин модуля деформаций и дифференциального коэффициента поперечной деформации с нагрузкой показывает, что по диаграмме состояний бетона можно судить об изменениях указанных характеристик деформирования. Можно наметить, по крайней мере, четыре области, разделяемые параметрическими точками. Более подробно об особенностях вычислений коэффициента поперечной деформации бетона при нагружении, поскольку это связано с оценкой особенностей протекающих деформаций, отмечено в . Для второй области характерно почти постоянное значение коэффициента поперечной деформации и модуля упругости, близкого к изменяющемуся модулю деформаций. На этой стадии образец уплотняется и соответственно уменьшается в объеме. Приращение объема образца АО = Aet — 2Де2 остается практически почти постоянным до границы /??. Эта первая параметрическая точка процесса деформирования рассматривается как граница микроразрушений . На данном уровне напряжений начинается процесс микроразрушений, который сопровождается разуплотнением и разрыхлением материала. При напряжениях выше границы /?? дифференциальный коэффициент поперечной деформации начинает интенсивно увеличиваться. Величина А8 соответственно также уменьшается или этому предшествует скачок, что отражается и на кривой объемной деформации (см. рис. 7). К моменту появления второй параметрической точки R* величина дифференциального коэффициента поперечной деформации Av достигает 0,5, что означает равенство величин объемных деформаций сжатия и расширения материала. На кривой суммарного изменения объема величине R^ соответствует наибольшее уменьшение внешнего объема образца А 6 = 0. При этих уровнях напряжений микротрещины в цементном камне бетона удается фиксировать в световые микроскопы. Микроразрушения структуры превращаются в микротрещины в интервале от R? до R%. Вторая параметрическая точка R* не соответствует текучести в металле — это условная верхняя граница микротрещин. Процесс монотонно развивается до этого уровня напряжений и выше него. Однако при более высоких напряжениях процесс разрушения структуры материала прогрессирует очень интенсивно, и величина дифференциального коэффициента поперечной деформации начинает стремительно увеличиваться (см. рис. 7, в). Таким образом, кривые изменения объема Э, его приращений Д6 и коэффициента Av под действием внешней нагрузки отражают характер изменения состояния структуры бетона. Микроразрушение структуры бетона под нагрузкой не представляет собой процесс раскрытия микротрещин, первоначально образовавшихся в структуре бетона во время твердения бетонной смеси. Диаграмма состояний характеризует процессы уплотнения, разуплотнения и зарождения ^икроразрушений сложной неоднородной структуры бетона и развитие их под действием усилий. В некоторых работах [156] предполагалось, что микроразрушение бетона — это процесс раскрытия микротрещин, образовавшихся на поверхности крупного заполнителя, так как прочность сцепления цементного камня с поверхностью заполнителя оказалась низкой, поскольку практически отсутствовало сцепление на участках микротрещин, образовавшихся при твердении бетона. Из более поздних американских^работ можно сделать вывод, что микротрещины на поверхности цементного камня с заполнителем развиваются из-за пониженной прочности сцепления гравияv и некоторых других крупных заполнителей. При надежном сцеплении микроразрушение начинается в процессе нагружения [39, 125]. На рис. 8 приведены величина коэффициента поперечной деформации v (вычислен по полным величинам деформации) и величина объемной деформации из работы [1941. Из рис. 8 видно, что если в качестве заполнителя бетона используются материалы хорошего качества и если сцепление зерен заполнителя с цементным камнем достаточно высокое, то по величине коэффициента поперечной деформации и наблюдавшейся на шлифах протяженности суммарной длины микротрещин (рис. 9) можно сделать вывод, что нарушение структуры раскрытия микротрещин существенно изменяется, начиная с границы R*. До уровня R? с гораздо меньшей интенсивностью (см. рис. 9) могут развиваться трещины на поверхности контакта заполнителя и цементного камня. В связи с этим отмечается относительное понижение уровней параметрических точек с увеличением количества песка и щебня в бетонной смеси . Чем крупнее заполнитель и чем меньше прочность сцепления, тем ниже относительный уровень обеих параметрических точек, больше прирост объема и коэффициент поперечной деформации. На уровне R% резко увеличиваются непрерывные по длине микротрещины с наклоном к направлению действия нагрузки. Наблюдаемые закономерности изменения объема бетона при нагружении отмечаются также в исследованиях горных пород [83]. Поскольку прочность горных пород и соответственно у зерен крупного заполнителя больше, процесс микроразрушений последних в условиях напряженного состояния бетона развивается позднее. Однако если прочность крупного заполнителя близка к прочности цементного камня (например, в бетонах на заполнителе из известняка и на легких заполнителях), то разрушение зерен крупного заполнителя сопровождается разрушением цементного камня. Процесс разрушения бетона следует рассматривать как процесс развития микротрещин, которые разделяют ранее монолитное сечение бетона на призмы неправильной формы. Последние начинают разрушаться вследствие потери устойчивости, разрушения от одновременного изгиба, сжатия и среза под действием касательных напряжений, действующих в сечении [17]. К аналогичному выводу о характере разрушения приходит Т. Хансен. Однако он отмечает, что разрушение бетонных призм происходит только от развития одной трещины или иногда двух, распространяющихся в направлении действия нагрузки сжатия. Такой результат был получен на образцах с мелким заполнителем (размеры поперечного сечения 7,5x7,5 см2). В образцах малых размеров действительно наблюдается разрушение от прорастания одной или двух вертикальных трещин, которые раскалывают образец [8]. Зависимость параметрических уровней R® и R от различных факторов недостаточно исследована, хотя выявлено [13] влияние воздействия некоторых характеристик бетонной смеси и затвердевшего бетона (поданным В. И. Сыт-ника, основное влияние оказывает состав бетона, а не его прочность). За счет изменений состава бетона обнаруживается зависимость параметрических уровней от прочности бетона в пределах 100—1000 кПсм2, хотя не всегда резко выраженная в связи с влиянием дополнительных факторов. Для бетона на тяжелых заполнителях в достаточно зрелом возрасте (более 28 суток) э. Повышение рассматриваемых уровней границ с ростом прочности для центрифугированного бетона наблюдалось в опытах Н. П. Бурмистрова. Применение более однородной смеси без крупных заполнителей (например, в виде песчаного бетона) приводит к систематическому повышению границ параметрических точек. Увеличение количества крупного заполнителя понижает относительный уровень границы. По данным, для бетонов на легких заполнителях из аглопорита эта зависимость также позволяет обнаружить систематическое повышение уровня параметрических точек. Это объясняется лучшим сцеплением цементного камня и растворной части бетона с пористым заполнителем. Для аглопоритобетона на пористом песке этот уровень еще выше. Наложение какого-либо дополнительного поля напряжений, например от стесненной усадки, особенно при большой концентрации арматуры, приводит к понижению уровня R°, что зафиксировано экспериментами [68, 13]. Уровни R? и R*, характеризующие определенные изменения в структуре бетона, обусловлены физико-химическимипроцессами, протекающими в бетоне. Эти явления должны исследоваться в соответствии с принципами физико-химической механики. В частности, протекающие в цементном камне во[времени процессы гидратации цементных зерен отражаются на рассматриваемых границах. Как показывают наблюдения , уровень обеих границ повышается со временем у бетона в нагруженном и ненагру-женном состоянии. Даже у бетонов прочностью до 1000 кГ/см*, в которых рост прочности во времени незначителен, соответственно повышаются и параметры, характеризующие процессы разрыхления и нарушения структуры. Изменение скорости подъема нагрузки отражается на наблюдаемых явлениях, поскольку процесс развития микроразрушений зависит от времени. Тротт и Фокс установили, что с увеличением скорости подъема нагрузки уровень границы появления микротрещин повышается. В экспериментах Ша и Чандра скорость подъема нагрузки была высокой, так как испытание образца до разрушения продолжалось менее 5 мин. Это могло повлиять на уровень обеих параметрических точек. Говоря об уровне обеих параметрических точек, необходимо отметить то обстоятельство, что при испытании бетонов в раннем возрасте ( особенно с использованием высокоактивных цементов) наблюдаются другие закономерности, в частности снижение параметра R? с увеличением прочности бетона или его стабилизация.