книги из ГПНТБ / Черкасов, Г. И. Введение в технологию бетона

этом явлении основано применение воздухововлекающих до­ бавок, представляющих собой натриевые мыла смоляных кислот. Из добавок этого типа используют абиетаты натрия, получаемые омылением канифоли и других смоляных кислот (С20Н30О2 ) едким натрием (техническое название СНВ — смола нейтрализованная воздухововлекающая),, и древесный омыленный пек (добавка ЦПЙПС-1).

Воздухововлекающие добавки, вводимые в бетонную смесь в количествах 0,05—0,1 % от веса цемента, вовлекают в бетон­ ную смесь до 3—5% воздуха в виде мелких, равномерно рас­ пределяющихся пузырьков диаметром 30-—200 мк.

Как установлено В. В. Стольниковым, воздушные пузырь­ ки не снижают, а даже несколько повышают пластическую прочность цементного теста, что значительно уменьшает его седиментацию. Пластифицирующий эффект таких добавок в бетонной смеси объясняется увеличением объема цементного теста вовлеченным воздухом и большим количеством воздуш­ ных пузырьков у поверхности зерен песка, где их действие может быть уподоблено шарикоподшипникам, по которым свободно перекатываются зерна песка (рис. 32).

Рис. 32. Пузырьки воздуха в бетонной смеси.

101

Гидрофильные поверхностноактивные добавки эффективно применяются в подвижных бетонных смесях, где воды доста­ точно, чр.требуется добиться ее равномерного распределения по частицам цемента. Гидрофобные и воздухововлекающие добавки эффективнее в жестких и тощих смесях с малым водосодержанием.

В последнее время в технологии бетона начинают приме­ нять гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости ГКЖ, ГКЖ-9—11—метилсиликонат (этилсиликонат) натрия— представляет собой водно-спиртовый раствор кремнийорганического полимера, который в результате хемосорбции на поверхности зерен цемента и заполнителей образует защитные водоотталкивающие пленки. ГКЖ-94 — полигидросилоксановая жидкость, применяемая в 10—45% -.ной водной эмуль­ сии,—не только гидрофобизирует поверхность, но и выделяет при реакции хемосорбции и поликонденсации водород. Добав­ ки ГКЖ, вводимые в бетонные смеси в количествах 0,05— 0,1% от веса цемента, оказывают пластифицирующее дейст­ вие и гидрофобизируют капилляры бетона, а ГКЖ-94 может использоваться и в качестве воздухововлекающей добавки.

VII. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ БЕТОНА

Для исследования механических свойств различных мате­ риалов обычно в координатах: напряжение, деформация, время — в реологии принято рассмотрение их феноменологи­ ческих (оторванных от действительности) моделей. Хотя при этом молекулярно-кинетическая сущность явлений остается нераскрытой, с некоторыми условиями и допущениями удает­ ся установить закономерность изменения механических свойств, присущих этим материалам.

Механические модели сложных сред составляют из раз­ личных комбинаций трех моделей, характеризующих наибо­ лее важные свойства материалов: упругость, вязкость и плас­ тичность (рис. 33).

1. Упругое тело (тело Гука) изображают моделью в виде пружины. Связь между напряжением и деформацией для это­ го тела определяется законом Гука

Р

£— Е ’

где Е — модуль упругости.

\

102

2. Вязкое тело (тело Ньютона) изображают моделью, со­ стоящей из поршня, двигающегося в цилиндре с вязкой жид­ костью. Движение поршня под действием силы Р описывается уравнением Ньютбна

где г] — коэффициент вязкости.

3. Жестко-пластичное тело (тело Сен-Венана) изобража­ ют в виде площадки с Кулоновым трением. Тело при нагру-

103

женин ниже предела текучести не деформируется. Течение развивается лишь при, нагрузках, удовлетворяющих условию текучести (Р —QTP).

Обычно при рассмотрении упруго-вязкочпластичных мате­ риалов пользуются моделью Бингама, предстатаяющей собой сочетание перечисленных простых тел (рис. 34).

Как видно из схемы модели, при напряжении т<то деформируется только пру­ жина; деформации упругие, и их уравнение имеет вид •

synp^o7-

Модель Бингама не характеризует упругого последствия (эластичности), поэтому упруго-эластично-пластично-вязкие тела более полно могут быть изображены моделью Шофилд— Скотт-Блера (рис. 35). Эта модель состоит из тела Бингама, последовательно соединенного с телом Кельвина, которое представляет собой параллельно соединенные упругий и вяз-

104

I

Рис. 35. Модель упруго-эластично-вязко-пластичного тела (модель Шофилд—Скотт-Блера):

Gi — модуль упругости сдвига; G2 — модуль эластичности сдвига; V — коэффициент истинной вязкости; ijj — коэффициент вязкости замедляющего сопротивления.

кий элементы, и при силовом воздействии имитирует запазды­ вающую упругость.

При напряжениях меньше то мгновенно деформируется пружина с модулем упругости Gb и замедленно во времени ввиду присутствия вязкого элемента деформируется пружина с модулем упругости G2. Так же происходит исчезновение де­ формации после снятия нагрузки.

При напряжениях больше т0 включается в действие вязкий элемент с коэффициентом вязкости гр," обеспечивающий вяз­ кое течение системы.

Связь между напряжением и деформацией в модели Шо­

Решение этого уравнения имеет вид tG2

где первый член показывает упругую мгновенную деформа­ цию, второй — упругое последствие, третий — вязкое течение.

Модель Шофилд—Скотт-Блера "применима не только к бе­ тонной смеси, но и к затвердевшему бетону, включая и качест­ венный перевод между ними.

Замеряя на специальных приборах развитие деформаций во времени при нагрузках, создающих напряжения меньше ч больше то, можно получить расчетные параметры Gb rp, GL>, г|2 и, следовательно, дать аналитическое выражение зависи­ мости, качественно представленной на рис. 23, для бетона в любой стадии твердения.

В главе VIII феноменологический метод использован для вывода уравнений ползучести и релаксации напряжений в бетоне.

VIII. ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

Физические основы прочности бетона

Затвердевший бетон Представляет собой неоднородный капиллярно-пористый материал дискретной структуры, со­ стоящий из твердой фазы, воды и воздуха. В этом материале до приложения внешних нагрузок уже действуют значитель­

н о

ные и разнообразные «собственные» внутренние напряжения, вызванные процессами химической и физической усадки це­ ментного камня, кристаллизацией новообразований, капил­ лярным давлением воды, неравномерным температурным расширением компонентов. Все это вызывает большую неод­ нородность полей напряжений в бетоне, находящемся под на­ грузкой. Некоторые структурные элементы оказываются пере­ напряженными, некоторые малонапряженными.

Теоретически учесть распределение напряжений в бетоне нельзя, можно лишь, применяя принцип континуумизации (непрерывности) к реальному материалу, рассуждать об их усредненных значениях, причем реальность этих усредненных

.напряжений тем больше, чем большую однородность имеет

•структура бетона.

Общий характер распределения напряжений и деформа­ ций в структуре бетона приведен на рис. 36.

Связь средних напряжений в бетоне Об со средними напря­ жениями в растворе и щебне стр и ащ может быть выражена формулой

° р -г (1 -г)3щ-

где г — содержание раствора в бетоне по объему. Рассмотрим одноосное сжатие бетонного образца.

Под действием сжимающей нагрузки бетон претерпевает упругие и остаточные деформации сжатия. Первые из них вызваны упругими свойствами твердой фазы и упругим сплю­ щиванием пустот в цементном камне. Следующие за ними необратимые деформации возникают, в результате излома структурных элементов вокруг пустот и разрыва микрообъе­ мов твердой фазы. Необратимые деформации излома и раз­ рыва в микрообъемах наступают при средних напряжениях^ которые гораздо меньше предельных ввиду концентрации на­ пряжений на этих участках. Внешне эти деформации проявля- ’ ются в уменьшении объема образца.

Вследствие сплющивания пустот в бетоне происходит пе­ рераспределение поля напряжений и увеличивается его одно­ родность. Образовавшиеся в микрообъемах цементного кам­ ня разрывы твердой фазы не нарушают сплошности бетона и могут быть залечены в дальнейшем за счет продолжающихся процессов гидратации цемента и перекристаллизации новооб­ разований. Повышение однородности поля напряжений даже несколько упрочняет бетон на этой стадии напряженного состояния.

107

Рис. 36. Характер распределения напряжений и деформаций в бето­ не (по И. М. Грушко).

108

Начиная с определенного значения напряжений (предела трещинообразования RT), объем бетонного образца возрастает за счет развития поперечной деформации, вызванной образо­ ванием несмыкающихея микротрещин в направлении дейст­ вия нагрузки (рис..37). Это состояние характеризуется увели­ ченными значениями коэффициента Пуассона. При прослуши­ вании бетона наблюдаются вместо равномерных шумов резкие потрескивания. С указанного значения напряжений фактически и начинается снижение прочности и разрушение бетона. При дальнейшем повышении напряжений от RT floRa развитие трещин приобретает лавинный характер, микротре­ щины переходят в сплошные макроразрывы и образец раз­ рушается.

Рис. 37. Изменение объема и коэффициента поперечной дефор­ мации при разрушении бетона.

109

Образование и развитие продольных трещин, разрушаю­ щих образец, вызвано растягивающими напряжениями в на­ правлении, перпендикулярном к действию сжимающих сил, возникающими из-за неоднородности сидовых полей и попе­

ствие развития пустот и разрыва структурных элементов рез­ ко повышается неоднородность полей напряжений, появляю­ щиеся трещины быстро соединяются в сквозную поверхность разрушения. Поэтому значения предела прочности бетона на растяжение примерно в 10 раз меньше предела прочности на сжатие.

Детально исследовавший причины разрушения бетонных образцов О. Я. Берг пришел к выводам, что разрушение мо­ жет быть только от разрыва, каково бы ни было напряженное состояние бетона; процесс разрушения динамичен и начина­ ется при достижении напряжений в бетоне величины RT, кото­ рая наряду с пределом прочности является важнейшей физической характеристикой напряженного состояния бетона.

В структуре бетона можно выделить три главнейших эле­ мента, от механических свойств которых зависит прочность бетона: раствор, заполнитель и контактную зону между ними.

А. С. Дмитриев исследовал прочностные и деформатнвныесвойства растворных образцов и бетонных, состоящих из того же раствора, в который введено различное количество щебня разного качества. Предел трещинообразования растворных образцов RT имел более высокое значение, нежели бетонных, что объясняется большей неоднородностью и большей кон­ центрацией напряжений в бетонных образцах, что связано е присутствием щебня.

Однако при применении прочных крупных заполнителей (R3= 1,5—2,5 Rs), имеющих хорошее механическое и хемосорбционное сцепление с цементным камнем, предел прочнос­ ти бетонных образцов был выше, чем растворных. Объясняет­ ся это тем, что щебень, занимая в бетоне значительный объем, тормозит развитие трещин, которым по растворным прослой­ кам бетона предстоит проделать гораздо больший путь, чем

вобразцах чистого раствора. Увеличение содержания щебня

вбетоне удлиняет путь развития трещин и, следовательно, увеличивает прочность образцов. Такая картина наблюдалась при введении в растворы щебня из прочных известковых по­ род. При введении в бетон прочного гранитного щебня, имею­ щего только механическое сцепление с цементным камнем,

н о