книги из ГПНТБ / Бетон для строительства в суровых климатических условиях

Авторы: В. М. Москвин, М. М. Капкин, А. Н. Савицкий, В. Н. Ярмаковский

Бетон для строительства в суровых климатических усло­ виях. Л., Стройиздат (Ленингр. отд-ние), 1973. 172 с. (Гос­ строй СССР. Науч.-исслед. ин-т бетона и железобетона). Авт.: В. М. Москвин, M . М, Капкин, А. Н. Савицкий, В. Н. Яр­ маковский.

В книге излагаются результаты исследования морозостой­ кости бетонов при низких и сверхнизких отрицательных темпе­ ратурах. Приводятся физико-механические характеристики бетонов в связи с фазовыми превращениями, протекающими в бетоне при замораживании. Рассматриваются вопросы долго­ вечности железобетонных конструкций применительно к райо­ нам Крайнего Севера и северо-восточной части Сибири. Изла­ гаются требования к бетону по морозостойкости в зависимости от условий работы.

Книга предназначена для научных и инженерно-техниче­ ских работников промышленности строительных материалов.

Табл. 29, рис. 47, список лит.: 119 назв.

v Q Ленинградское отделение Стройиздата, 1973.

Вячеслав Наумович Я р м а к о в с к и й

Бетон для строительства в суровых климатических условиях

Редактор Л. В. Ассовская

Обложка художника А. Д. Арефьева Технический редактор В. В. Живнова

Корректор Н. Г. Семина

Сдано в набор 21/ХІ 1972 г. Подписано в печать 21/Ѵ 1973 г. М-08502. Формат бумаги 60Х90УІ 6 . Бумага типографская № 3. Бум. л. 5,25. Усл. печ, л. 10,5. Уч.-изд. л. 11,01. Изд. № 1486Л. Тираж 4500 экз. Заказ № 417.

Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по Делам издательств, полиграфии и книжной

торговли Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29

В В Е Д Е Н И Е

Темпы развития народного хозяйства, определенные Ди­ рективами XXIV съезда КПСС, требуют вовлечения все но­ вых и новых естественных ресурсов. По пятилетнему плану развития народного хозяйства 1971—1975 гг. намечены боль­ шие объемы работ по освоению природных богатств и развитию производительных сил зоны Севера.

На обширной территории Крайнего Севера и северо-вос­ тока СССР, где температура наружного воздуха нередко понижается до —50 и даже —70° С, в больших масштабах осуществляется строительство зданий и инженерных соору­ жений различного назначения. Детальные обследования, про­ веденные за последние десять лет, показали, что в значи­ тельной части этих сооружений имеются признаки разруше­ ния бетонных и железобетонных конструкций уже после не­ продолжительного периода эксплуатации. Установлено, что основной причиной является воздействие низких отрицатель­ ных температур *, многократное попеременное заморажива­ ние и оттаивание бетона. Наиболее интенсивно разрушитель­ ный процесс протекает в гидротехнических сооружениях, где имеет место наиболее суровый комплекс температурно-влаж- ностных воздействий.

Изучению стойкости бетона воздействию естественно низ­ ких отрицательных температур посвящено большое количе­ ство работ. Наиболее значительные из них выполнены в нашей стране О. Е. Власовым, Г. И. Горчаковым, Г. Г. Ере­ меевым, Ф.М.Ивановым, В.С.Лукьяновым, С.А.Мироновым,

Н.А. Мощанским, Ю. А. Нилендером, А. М. Подвальным,

Б.Г. Скрамтаевым, В. В. Стольниковым, Б. Д. Тринкером,

С. В. Шестоперовым и др. Среди зарубежных исследователей в этой области известны Т. Пауэре, А. Коллинз, Р. Валоре, М. Валента, В. Шульц, В. Альтнер, А. Лентц, У. Кордон и др.

Этими работами, а также работами авторов [32, 47—49, 61, 76] были установлены основные факторы, от которых за­ висит морозостойкость бетона. К ним следует отнести струк­ туру материала, величину и характер пористости, степень

* Под низкими отрицательными температурами имеются в виду тем­ пературы ниже —20° С,

1*

водонасыщения и температуру замораживания. Было изучено влияние водоцементного отношения, минерального и веще­

же результатов работ по влиянию на морозостойкость бетона его напряженного состояния [19, 41, 50], а также по влиянию отрицательных температур на изменение некоторых расчет­ ных характеристик бетона [44, 57, 61, 63] приводит к следую­ щему выводу.

Для обеспечения долговечности бетона в конструкциях со­ оружений, эксплуатирующихся в суровых климатических усло­ виях, недостаточно ограничиться использованием рекоменда­ ций только технологического характера. Необходимо внести соответствующие коррективы в существующие методы рас­ чета бетонных и железобетонных конструкций, предназначен­ ных для данных условий службы, установить расчетные кри­ терии, определяющие истинное предельное состояние конст­ рукций (по долговечности). Такими критериями в условиях попеременного воздействия на бетон воды и мороза могут быть прочностные и деформативные характеристики, опре­ деляющие процесс микротрещинообразования бетона под на­ грузкой [6, 39].

Действительно, проникновение воды в бетон в образовав­ шиеся под действием внешней нагрузки микро- и макротре­ щины может привести при дальнейшем ее замерзании к раз­

Таким образом, требования долговечности бетона при рас­ чете по несущей способности бетонных и железобетонных конструкций сооружений, предназначенных для районов Крайнего Севера, могут быть учтены, если предельно допу­ стимые напряжения в этих расчетах ограничить величинами напряжений, определяющими границы области микротрещи­ нообразования бетона.

Следовательно, для комплексного решения рассматривае­ мой проблемы стойкости бетона к воздействию отрицательных температур непосредственно в конструкциях требуются дан­ ные по прочностным и деформативным характеристикам, опре­ деляющим в соответствующих температурно-влажностных условиях различные этапы деструктивных процессов в бетоне под нагрузкой. Получение этих данных требует проведения соответствующих исследований.

Значение характеристик процесса микротрещинообразова­ ния бетона в практике проектирования бетонных и железо­ бетонных конструкций требуемой долговечности помогает

4

Г л а в а I

С О С Т О Я Н И Е В О П Р О С А И З А Д А Ч И И С С Л Е Д О В А Н И Й

§ 1. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА ПОД НАГРУЗКОЙ В СВЯЗИ С СОВРЕМЕННЫМИ ТЕОРИЯМИ СТРОЕНИЯ И МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Современные тенденции развития физики твердого тела при анализе деформативных и прочностных свойств реальных материалов представляют собой отход от классических пред­

по изучению поверхностных микроявлений в твердых телах. Так, впервые в 1920 г. А. А. Гриффите предположил, что на потерю прочности хрупких материалов, таких, как стекло, в значительной степени влияет присутствие микротрещин, мик­ ропустот или других микродефектов, которые или существо­ вали ранее, или образовались в процессе нагружения мате­ риала. Такое влияние он объяснил концентрацией напряжений в устьях микротрещин, при превышении которой определен­ ного предела начинается их рост. Развитие микротрещин в материале при увеличении нагрузки определяет постепенность

характера его разрушения.

П. А. Ребиндер, изучая процессы диспергирования при механической обработке твердого тела, также подчеркивал несплошность строения последнего. Так, определяя твердость хрупкого тела как работу образования новой единицы его поверхности, П. А. Ребиндер утверждает, что работа диспер­ гирования идет на преодоление твердости диспергируемого тела, т. е. расходуется на образование микротрещин и на рас­ ширение трещин, уже имевшихся в поверхностном слое тела.

Теоретической разработке проблем равновесия реальных клиновидных микротрещин в твердом теле, общим закономер­ ностям процесса деформирования и разрушения твердого тела посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей. В большинстве их исследователи исходят из фундаментальных гипотез А. А. Гриффитса и П. А, Ребиндера.

6

Первая попытка развития гипотезы А. А. Гриффитса о начальной несплошности и постепенности характера разру­ шения твердого тела в применении к бетону была предпри­ нята в 1929 г. Ф. Рихартом, А. Бращгзаегом и Р. Брауном [111]. Эти исследователи выдвинули, в свою очередь, гипотезу о существовании «критической величины напряжений сжа­ тия», при которой начинается прогрессирующее развитие «процесса раскалывания (или разделения) всей массы бе­ тона на мелкие секции или сечения». При испытании на осе­ вое сжатие железобетонных колонн со спиральной арматурой авторами этой гипотезы было отмечено увеличение объема

ассона, считавшегося ранее константой в применении к бе­ тону.

Изменение коэффициента Пуассона и увеличение внеш­ него объема бетонного образца при испытании его на осевое сжатие подтвердил в 1930 г. в своих экспериментах X. Иошида [93]. В 1938 г. Е. Фрейсине [73], затем в 1941г. В.В.Ми­ хайлов [46] отмечали, что наблюдаемое увеличение объема бетона при сжатии вытекает из предложенных ими теорий строения бетона.

По теории А. А. Гриффитса, разрушение хрупких мате­ риалов будет иметь место, когда освобождающаяся энергия деформации превысит в 2 раза поверхностную энергию мате­ риала. Первую целенаправленную работу по проверке приме­ нимости этой гипотезы к бетону провел М. Каплан [95]. По результатам испытаний бетонных балок с прорезями, ими­ тирующими микротрещины, автор установил, что указанная концепция А. А. Гриффитса является необходимым условием распространения трещин в бетоне.

При непосредственном наблюдении в 1946 г. микротре­ щины в бетоне обнаружил Р. Эванс [85]. При сжатии бетон­ ных цилиндров он наблюдал под микроскопом появление на поверхности образцов микротрещин при нагрузке, значитель­ но меньше разрушающей.

В 1950 г. О. Я. Берг [8] результатами также непосредствен­ ного наблюдения под микроскопом подтвердил, что разруше­ ние бетона при одноосном сжатии начинается с образования и развития микротрещин, ориентированных вдоль действую­ щей силы сжатия. При этом было замечено, что моменту по­ явления микротрещин соответствовало начало увеличения

бцрод

7

за основу ультразвуковой метод Р. Джонса, установили за­ висимость изменения уровней напряжений, определяющих начало процесса микротрещинообразования бетона RJRnp, от его призменной прочности і?Пр- При этом оказалось, что ве­ личины Ri/Ru?, определенные ультразвуковым методом, зна­ чительно меньше соответствующих характеристик бетона,

телей к пересмотру первоначальных представлений о двухстадийном механизме разрушения бетона при сжатии и к уста­ новлению области развития микротрещин, ограниченной двумя параметрическими уровнями напряжений: уровнем на­ пряжений, соответствующим «нижней (истинной) границе об­ разования микротрещин», определяемой ультразвуковым ме­ тодом, и уровнем напряжений, соответствующим «верхней (условной) границе образования микротрещин», определяе­ мой тензометрическим путем при превышении дифферен­

при испытании бетона на сжатие применил Р. Лермит [99]. При этом использовались одновременно акустический осцил­ лограф и ультразвуковой прибор.

Сравнивая осциллограмму шумов в бетонной призме с за­ висимостями скорости прохождения через образец ультразву­ ковых волн и величин коэффициента Пуассона от напряже­ ний сжатия, Р. Лермит показал, что разрушению бетона при осевом сжатии предшествует накопление внутренних микро­ разрушений. Действительно, изучая шлифы, взятые из бе­ тонной призмы, нагруженной до оі = (0,5 - f - 0,65) Rnp, Р. Лер­ мит обнаружил сеть микротрещин.

Подтверждение существования области напряженного со­ стояния в бетоне, достижение которой соответствует появле­ нию в нем микроразрушений, в 50-х годах было дано в рабо­

Как одну из наиболее значительных работ, посвященных исследованию природы и характера процесса трещинообразо­ вания бетона под нагрузкой, следует отметить работу Т. Шу, Ф. Слэйта и др., выполненную в Иллинойском университете (США) и опубликованную в четырех выпусках журнала аме­ риканского Института бетона за 1963 г. [89, 90, 91, 116].

9