5.2. Фізична модель кінетики руйнування бетону при тепловологісних впливах

Бетонним і залізобетонним конструкціям доводиться працювати у широкому діапазоні температур. Міцність і деформативні властивості бетону дуже сильно залежать від його температурного стану. За температури нижче за 150⁰С бетон стає практично пружним, із підвищенням температури деформативність бетону збільшується, міцність знижується, зростає роль структурних дефектів. При нагріванні бетону до 100⁰С випаровується вода із пор розмірами 10^-1…10^-3 мм, відбувається розширення цементного каменю і заповнювачів, зміцнення структурних контактів. Подальше нагрівання до 200⁰С супроводжується видаленням води з дрібних пор розміром 10^-4…10^-5 мм, утворенням пари, розривом контактів і зв’язків, появою мікротріщин і їх розвитком, зниженням міцності на 10-20%. При нагріванні до 600⁰С міцність бетону падає на 80%, оскільки неухильно зростає кількість дефектів і тріщин. При зниженні температури до мінус 20⁰С вода у великих капілярах розмірами 10^-1…10^-3 мм замерзає, подальше зниження температури викликає зменшення обсягів льоду, збільшення його міцності, відповідно – і міцності матриці, значить, і бетону. При цьому визначальне значення має кількість льоду в структурі цементного каменю і бетону, їх пористості, здатності до видовження. Оптимісти вважають, що бетон можна морозити, песимісти – що не можна. А як ви вважаєте – чи можна в цьому випадку бути оптимістом?

Що розуміють під терміном «тепловологісні впливи»?

Це постійно діючий несиловий зовнішній вплив, який може бути як природнього, так і штучного походження. Він зумовлений кліматичними умовами району будівництва, тоді цей вплив має циклічний характер (наприклад, «зима – літо» або «день – ніч»), і окремим випадком його може слугувати така найважливіша характеристика бетону, як стійкість до впливу мінусових температур або морозостійкість. Крім того, вологість повітря, тобто вміст водяної пари у ньому, теж непостійна, тому потрібно розглядати спільний вплив температури та вологості. Тепловологісний вплив може бути зумовлений господарською діяльністю людини, тоді він відбувається також із деякою циклічністю (що залежить, наприклад, від виробничого циклу промислового підприємства), і тут виникає прямо протилежна морозостійкості проблема жаростійкості бетону.

У чому небезпека для бетону температурних впливів? По - перше, кожен матеріал характеризується коефіцієнтом лінійного температурного розширення (у загальному випадку , де – зміна температури), який описує зміну розмірів тіла при зміні температури. А у компонентів бетону коефіцієнти лінійного розширення неоднакові, наслідком чого є виникнення температурних напружень (компоненти бетону не мають можливості вільно деформуватися). Варто зазначити, що із-за виникнення великих внутрішніх напружень внаслідок відмінності коефіцієнтів золота, слонової кістки чи мармуру досить швидко руйнувалися античні статуї.

По - друге, шари бетону в конструкції прогріваються (або навпаки охолоджуються) нерівномірно і у зовнішніх шарах перепад температури набагато більший: порушується термодинамічна рівновага системи, між шарами бетону відбувається теплообмін. У деяких випадках нерівномірне нагрівання може призвести до руйнування. Найпростіший приклад цього явища – склянка, яка тріснула після того, як у неї налили гарячого чаю (тіла при нагріванні розширяються, і в склянці внутрішні нагріті шари тиснуть на ще холодні зовнішні, з’являються розтягувальні напруження, які можуть стати критичними для маленької тріщини на поверхні склянки).

І по - третє, частини споруд можуть нагріватися по - різному (адже існують сторони світу), і це викликає істотні зміни форми споруди.

Розглянемо це на прикладі Останкінської телевежі у Москві – символу залізобетону, дійсно унікальної споруди з монолітного попередньо напруженого залізобетону (рис. 5.2). Як деформується вежа влітку, якщо всі необхідні дані для відповіді є на схемі і циклічність такого деформування становить рівно одну добу?

З південного боку температура стовбура вежі завжди вища, ніж із північого, тому й деформації з цього боку більші. Значить, вежа нахиляється вправо, у північну сторону, і відхилення верхньої точки від вертикалі може досягати двох (а при середньому вітрі – всіх п’яти) метрів.

Вежа напружена, причому напруження виконане незвично, нетрадиційно: напружена арматура розташована всередині залізобетонного стовбура вежі (рис. 5.2). Але незважаючи на це, тріщини (вертикальні) у вежі є.

Рис. 5.2. Останкінська телевежа з попередньо напруженого залізобетону

Як ви думаєте, з якого боку їх більше: з північного чи з південного? Звичайно ж, з південного, скажете ви, – адже там деформації більші. Але відповідь зовсім не така однозначна, хоча і не неправильна. Не забуваємо про зиму, іноді дуже сувору московську зиму, коли протягом доби температура може переходити через 0⁰С кілька разів. Тому з північного боку бетон піддається циклічним температурно – вологісним деформаціям, тому й з північного боку є багато тріщин. Де більше? Напевне, все - таки з південного.

Ще один приклад. У січні 1974 року на алюмінієвому заводі у місті Волхов Ленінградської області зупинили для ремонту захисного шару сховище фосфорної кислоти. Цей циліндричної форми резервуар був встановлений на відкритому майданчику без теплоізоляції. Після ремонту, який був недовгим, у сховище залили кислоту температурою +60 ⁰С; тоді і відбувся розрив резервуару від днища до твірної циліндра, довжина тріщини становила 3 метри (рис. 6.3). Через цю тріщину вилилися сотні тони гарячої кислоти, відбулось руйнування бетонної основи та металоконструкцій. То ж чому сталася ця аварія?

З причини нерівномірного нагрівання шарів металу. Точно так само руйнується вже згадувана нами склянка, у яку налили гарячого чаю. А на поверхні резервуару була маленька тріщина, про яку нічого не знали головні винуватці аварії – експлуатаційники, заливши гарячу кислоту в промерзле сховище.

Рис. 5.3. Сховище фосфорної кислоти на Волховському алюмінієвому заводі.

З якого боку, зовнішнього чи внутрішнього, повинна була бути тріщина як у резервуарі, так і у склянці, щоб відбулося їх руйнування? Звичайно, із зовнішніми, тому що саме з цього боку виникають розтягувальний напруження, внаслідок тиску внутрішніх шарів на зовнішні.

Уявимо бетон у вигляді структури, що складається із системи різномасштабних зерен (негідратованого цементу, піску, щебеню) із в'язями взаємного притягання між собою у вигляді активних сил ( ), створених фізичними, хімічними та адгезійними процесами як результат гідратації цементу та системи пустот у гідратованій масі (у вигляді капілярів (K), пор (П), тріщин (Т)), у яких виникає комплекс реактивних сил ( ) у межах їх геометричних розмірів у структурі:

= (5.2)

Фізико - механічні властивості в одиничному об'ємі бетону та їх змінювані рівні забезпечуються системами активних і реактивних сил, що створюють напруження у структурі:

(5.3)

(5.4)

де – сума напружень від фізико – хімічних процесів в активних в'язях; - сума напружень від реактивних сил; - величина рівня міцності; - сума об'ємних деформацій від сил в активних в'язях; - сума об'ємних деформацій від реактивних сил; – вимірюваний модуль деформацій в одиничному об'ємі бетону.

Зі зміною тиску (сили), температури, вологості у дефектах (П, К, Т) структури бетону, заповнених рідиною, парою, льодом, виникають зусилля, що змінюють геометричні розміри дефектів, які зменшують (збільшують) кількість активних в'язів, що впливає на рівні вихідних властивостей і їхні вимірювані величини та . Фізична модель кінематики руйнування бетону при тепловологісних впливах відображається у фізичній моделі бетону через приріст (зі своїм знаком) у рівні напружень від реактивних сил.

У І діапазоні температур охолодження, а потім перехід рідини в лід викликають скорочення одиничного об'єму, потім його розширення, а потім – знову скорочення. Це змінює рівні напружень у активних в'язях і напруження від реактивних сил. При кріогенних температурах рівні реактивних сил мінімальні, при температурах розширення льоду – максимальні.

У ІІ діапазоні розширення води при нагріванні викликає підвищення рівня реактивних сил. У ІІІ діапазоні температур нагрівання і видалення вологи знижують їх рівень. Перегрів викликає зниження рівня активних сил внаслідок розвитку фізико-хімічних процесів у структурі мінералів.

Розрахункова модель руйнування будується для системи, зображеної на рис. 5.4, виходячи з нижченаведених положень, в основу яких покладені підходи механіки руйнування. Залежно від температури та вологості капіляри, пори та тріщини можуть бути заповнені водою, парою або льодом, що визначає поля напружень і зміщень у їх вершинах. Інтенсивність напружень, а також напружено-деформований стан поблизу вершин капілярів і тріщин визначається сумарним узагальненим параметром тріщиностійкості і коефіцієнтом інтенсивності напружень. Визначаючи ці величини від дії капілярних сил, від розклинювального ефекту при нагріванні води або при заморожуванні та розширенні льоду, від тиску пари на стінки капіляра або тріщини, отримаємо параметри, що характеризують напружено-деформований стан навколо концентратів напружень (пор, капілярів і тріщин) на будь-якому з рівнів ієрархічної системи (бетон завжди розглядається на трьох рівнях: мікро-, мезо- і макро-).

Що це за рівні? Макрорівень – це крупний заповнювач, втоплений у цементний розчин, цей рівень іноді називають інженерним; мезо – це дрібний заповнювач всередині цементного тіста; мікро – це кристалічний згусток із цементу, всередині якого є негідратовані зерна цементу, наявність таких частинок, у певних межах, істотно не впливає на міцність бетону. Такий підхід нагадує дослідження за допомогою мікроскопа при різних збільшеннях і називається «принципом мікроскопа».

Знайдена через деформації усадки бетону та енергію руйнування величина визначається за залежністю

(5.5)

де та – параметри капілярів або тріщин; – сила, прикладена до берегів дефектів структури; деформації усадки бетону дозволяють врахувати в (5.5) той факт, що напруженя у вершинах пор і капілярів виникають ще до прикладання зовнішніх навантажень, а внаслідок концентрацій ці напруження можуть досягати значних величин.

Результатом процесів, що відбуваються у капілярах і тріщинах, є деформації у міжзерновій матриці, вільному перебігу яких перешкоджають жорсткі зерна заповнювача або негідратованого цементу, що створює у вершинах радіальних тріщин напруження деякої інтенсивності, які визначають через коефіцієнт інтенсивності напружень. На контурі зерен заповнювача або негідратованого цементу виникають контактні тріщини, для яких визначають значення та , що залежать, зокрема, від модулів пружності зерен і міжзернової матриці.

За даними коефіцієнтами інтенсивності напружень визначають поточні параметри тріщин і тривалість періоду досягнення ними своїх критичних значень.