2.2. Механізм руйнування бетону
Процес утворення і розвитку тріщин у бетоні зручно вивчати, заміряючи час проходження ультразвукової хвилі через бетон при збільшенні зовнішнього навантаження.
Час
проходження ультразвуку зі збільшенням
навантаження спершу зменшується, що
свідчить про ущільнення бетону, а потім
починає зростати (рис. 2.6). Точка А
приймається за нижню границю
мікротріщиноутворення
,
яка залежно від класу бетону зннаходиться
у межах
.
Точка В, що відповідає початковому часу
проходження ультразвуку, прийнята за
верхню границю мікротріщиноутворення
,
вона знаходиться у межах
.
Збільшення часу проходження ультразвуку
пов’язане з огинанням ним тріщин, що
виникають на його шляху, тобто з фактичним
збільшенням шляху.
Рис. 2.6. Графік зміни напружень у бетоні залежно від часу проходження ультразвуку через бетон
Для
визначення
існують емпіричні формули виду:
(2.14)
де
- числові коефіцієнти, що визначаються
з досліду.
Але чому в бетоні зароджуються тріщини?
У структурі бетону ще до його завантаження існує велика кількість різноманітних дефектів. Умовно поділимо їх на дві основні групи: дефекти першого роду – круглі, головним чином, гелеві пори типу порожнин, - і дефекти другого роду – гостроконечні дефекти типу тріщин. Відомо, що навколо отворів спостерігається концентрація напружень, а дефекти першого роду – це саме отвори випадкової форми, хаотично розташовані у всьому об'ємі бетону між зернами крупного заповнювача. Найбільше зовнішнє навантаження призводить до того, що на контурі цих пор, форма яких часто схожа на сильно витягнуті еліпси, виникають із-за концентрації високі напруження. Там і з'являються тріщини.
У бетоні тріщини – дефекти другого роду – можуть з'явитися ще до його завантаження. Такі тріщини називають усадочними, вони утворюються на контакті між цементно-піщаним розчином (матрицею) і крупним заповнювачем. Отже, початкові тріщини можуть з'явитись у бетоні або до завантаження із-за усадки, або за незначного зовнішнього навантаження із-за сильної концентрації напружень навколо пор у матриці.
Нагадаємо, що усадка – деформація бетону без зовнішнього силового впливу, відбувається внаслідок тужавлення бетону.
Уявимо
бетон у вигляді трьох компонентів:
крупний заповнювач, матриця і зона
їхнього контакту. Кожний із цих трьох
компонентів характеризується певним
значенням
,
відмінним від
усього
бетону. Точні числові значення для
критичних коефіцієнтів інтенсивності
напружень заповнювача (
),
матриці (
)
та зони їхнього контакту (
)
поки не встановлені, тому як перше
наближення використаємо орієнтовні
дані, наведені у табл. 2.3. У ній наведено
порядок значення розглядуваних величин
для важкого та легкого (пористого)
заповнювачів у частинах від
.
Таблиця 2.3
|
|
|
|
|
Примітка |
|
важкий |
легкий |
важкий |
легкий |
|
1 |
>1 |
0,1 |
0,5 |
>>1 |
>> означає значно більше |
Якщо
уважно розглянути дані таблиці, побачимо,
що тріщини у
важкому
та легкому бетонах розвиваються
по-різному. Матрична тріщина у важкому
бетоні не проникає у заповнювач (тому
що
),
вона обійде його по контактній зоні
(
),
після чого знову буде розвиватись у
матриці (рис. 2.13,а). При цьому тріщина
обирає найекономічніший (найкоротший)
шлях. Деякі матричні тріщини можуть
бути зупинені зернами крупного заповнювача
– все залежить від кута зустрічі тріщини
та заповнювача, а також від наявності
усадочних тріщин на контактній зоні).
Коли тріщина зустрічається із важким заповнювачем, є такі варіанти розвитку такої тріщини: 1) вона буде зупинена; 2) тріщина буде розвиватись по контакту матриці та заповнювача за механізмом нормального відриву або 3) поперечного зсуву. Все залежить від кута зустрічі тріщини та заповнювача (рис. 2.12).
Залежно
від орієнтації заповнювача: при кутах
зустрічі з заповнювачем
і
тріщина
буде зупинена; при
контактна
тріщина буде розвиватись за механізмом
нормального відриву, а якщо
-
то за механізмом поперечного зсуву.
У
легкому бетоні тріщина пронизує
заповнювач (
) і розвивається по найкоротшому шляху
– по прямій, ніби ножем розрізаючи
батон.
Контакт
між пористим заповнювачем і матрицею
є найміцнішим і самим тріщиностійким
місцем у легкому бетоні. Це пояснюється
самовакуумуванням контактного шару.
При виготовленні бетону легкий заповнювач
вбирає в себе воду (тому що він пористий0,
а потім поступово віддає її. На місці
води утворюється вакуум, який, присмоктуючи
матрицю, створює міцний контактний шар
(
).
Траекторія розвитку тріщини в легкому
бетоні показана на рис. 2.8,б.
Рис. 2.7. Зсувна тріщина на контакті заповнювача та матриці
Трохи по-іншому поводять себе тріщини у комірчастому бетоні – з-за великої кількості отворів у його структурі. Комірчастий бетон – різновид легких і особливо легких бетонів, у структурі якого є багато штучно створених відносно замкнених пор у вигляді комірок розміром 0,5-2 мм, заповнених повітрям чи газом.
Рис. 2.8. Траекторія розвитку тріщини у важкому (а) і легкому (б) бетонах
По всьому об’єму комірчастого бетону хаотично розташовані круглі порожнини різного розміру. Уявимо, що силова тріщина потрапляє в комірку: гостра вершина з великою концентрацією напружень у невеликій за розміром зоні поблизу точки дотику берегів тріщини миттєво перетворюється в отвір (рис. 2.9), де коефіцієнти концентації напружень визначають за формулами Кірша. Проте не всякий отвір може зупинити тріщину. Якщо комірка малого розміру, тріщина, навіть не помітивши її, пройде наскрізь і піде далі своєю дорогою (траекторією).Але великі комірки стають закритими шлагбаумами на шляху тріщини, тому комірчасті бетони для своєї низької міцності (у межах 2-8 МПа), характеризуються високою тріщиностійкістю. На рис. 2.10 показано, як будуть розвиватись магістральні тріщини в комірчастому бетоні.
Рис. 2.9. Тріщина поблизу Рис. 2.10. Процес розвитку
порожнини у комірчастому бетоні тріщини