книги из ГПНТБ / Кудзис А.П. Предварительно-напряженный полимерцементный бетон

ГЛАВА II

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНОГО БЕТОНА

2.1. Границы микроразрушекия

В многочисленных работах ЦНИИСа Минтрансстроя доказано, что разрушение материалов типа бетона начинается задолго до дости­ жения предела прочности при сжатии или растяжении. В нагружен­ ном бетоне происходят сложные процессы уплотнения, разуплотнения и разрушения структуры. В исследованиях О. Я. Берга и сотрудников [10, 11, 12 и др.] отмечается, что при действии сжимающих усилий бе­ тон уплотняется, если величина напряжений не превышает границы микроразрушения . R°T. Такой границе соответствует наименьшее время прохождения ультразвука через бетон, в также некоторые другие фи­ зические параметры.

Следует отметить, что микротрещины образуются в бетоне в про­ цессе твердения. При нормальном твердении появляются усадочные ми­ кротрещины. При тепловой обработке бетона из-за температурных на­ пряжений количество и величина микротрещин увеличиваются. Как по­ казывают опыты Г. В. Марчюкайтиса [56], развитие технологических микротрещин зависит от режима тепловой обработки. Как технологи­ ческие, так и усадочные микротрещины могут значительно снижать гра­ ницу R°T.

Неоднородность структуры цементного камня и наличие водных пле­ нок являются причиной разрыхления и разрушения структуры бетона

ветствующая величине дифференциального коэффициента поперечной деформации Av= Ae2/Aei =0,5. Если напряжения в бетоне превышают эту величину, то это значит, что микроразрушения начинают интенсив­ но прогрессировать. Граница Щ является также пределом длительной прочности старого бетона [12].

Как известно, параметры R° и Щ зависят главным образом от марки бетона, роста его прочности и условий влагообмена с окружа-

31

на) также существенно влияет на характер развития микроразрушений бетона.

Границы микроразрушения бетона R° и Щ являются очень важ­ ными показателями, поскольку они характеризуют его прочностные и де­ формационные свойства. Поэтому влияние водорастворимых полимер­ ных добавок на величину этих границ представляет большой интерес. С этой целью в Вильнюсском ИСИ проводились специальные иссле­ дования. Опытные образцы—призмы и трубчатые элементы изготов­ лялись из полимерцементного и обычного бетона как естественного твердения, так и подвергнутого инфракрасному облучению и тепловлаж­ ностной обработке. При этом границы микроразрушения бетона фикси­ ровались при помощи тензометрической и ультразвуковой аппаратуры.

Следует отметить, что для приготовления бетонной смеси в наших опытах применялись гранитный щебень и кварцевый песок высокого качества. Поэтому сцепление заполнителя с цементным камнем было хорошее и границе R° соответствовало в основном нарушение структу­ ры цементного камня.

И. Ю. Мотеюнас изучал влияние добавки эпоксидной смолы ДЭГ-1 на процесс образования микротрещин в бетоне. Для этой цели было испытано 10 серий призм в возрасте 28—35 сут. Они изготовлялись из бетона естественного твердения кубиковой прочности 20—50 МПа. Исследования показали, что дополнительно введенная полимерная до­ бавка значительно увеличивает величины и 7?/ , так как абсолют­ ные значения этих границ повышались соответственно на 25—90 и 15—60%. Такое явление объясняется образованием более прочных свя­ зей между частицами полимерцементного камня и увеличением сил сцепления его с зернами наполнителя. Положительное влияние поли­ мерной смолы на повышение границ микроразрушения было более ощутимым для бетонов низких марок. Это связано с тем, что с повы­ шением прочности обычного бетона границы микротрещин R°T и R увеличиваются.

В опытах В. И. Вайткявичюса исследованию подвергались 24 приз­ мы, изготовленные из бетонной смеси трех видов:

I вид (бетон Б) — обычная смесь на портландцементе активности 40 МПа (400 кг/м3), кварцевом песке (637 кг/м3) и гранитном щебне фракцией 5—20 мм (1125 кг/м3) при В/Ц = 0,46;

32

жено, что под возрастающей сжимающей нагрузкой процесс микро­ разрушения бетона молодого возраста начинается от незначительных нарушений структуры цементного камня. Для бетона более старшего возраста характерно резкое увеличение поперечных деформаций при напряжениях, превышающих границ Щ. . Это частично видно из графи­ ков на рис. 3.

Благодаря полимерной добавке раскрытие микротрещин в бето­ не происходило с гораздо меньшей интенсивностью, чем в обычном бетоне. Это способствовало уменьшению поперечных деформаций и

Рис. 3. Изменение приращения поперечной деформации Де2/Дсг бетона, твердеющего при инфракрасном облучении, при его осевом сжатии в воз­ расте 7 (а) и 100 сут (б): 1 — полимерцементный бетон вида П; / ' — то же, ГГ; 2 — обычный бетон Б.

повышению границ микроразрушения бетона, о чем свидетельствуют кривые на рис. 4. Средние значения призменной Rnp и длительной /?дл прочности, а также границ микроразрушения бетона приведены в табл. 8.

______ L

Oa>6M .

\

i

i!

Рис. 4. Зависимость дифференциального коэффициента поперечной дефор­ мации Ae2/Ae! бетона, твердеющего при инфракрасном облучении, при его осевом сжатии в возрасте 7 (а) и 100 сут (б): 1 — полимерцементный бетон вида П; Г — то же, П'; 2 — обычный бетон Б.

Т а б л и ц а 8

Абсолютные величины границ микроразрушения бетона, подвергнутого инфракрасному облучению, в МПа (числитель) и % (знаменатель)

34

Величины предела длительной прочности при нагружении бетона в возрасте 7 сут рассчитывались по формуле:

полимерцементного бетона требуется провести дополнительные исследо­ вания.

Из табл. 8 видно, что независимо от возраста бетона введение полимерной добавки может увеличить абсолютные значения границ 7?” и соответственно до 50 и 40%. Это ведет к повышению предела дли­ тельной прочности полимерцементного бетона на сжатие. Однако при одинаковой призменной прочности обоих видов бетона заметно повы­ шается лишь граница R° полимерцементного бетона.

Р. А. Гаралявичюс изучал влияние добавки смол ДЭГ-1, ТЭГ-1 и № 89 на величину границ микроразрушения центрифугированного бе­ тона, подвергнутого тепловлажностной обработке. Опыты показали, что 1,5—1,8%-ная добавка этих смол увеличивает абсолютные значения гра­ ниц и R* на 25—50%.

Основные результаты исследований, проведенных в Вильнюсском ИСИ, даны в табл. 9. Заниженные границы микроразрушения центрифу­ гированного бетона объясняются неоднородностью бетона по толщине трубчатого образца небольших размеров, а также некоторой особен­ ностью методики, применяемой при измерении поперечных деформаций в сжатом пустотелом элементе.

Результаты табл. 9 позволяют сделать следующие выводы:

а) 2%-ная добавка водорастворимых полимерных смол увеличива­ ет не только призменную прочность бетона, но и его границы микро­ разрушения и, в первую очередь, величину

б) с уменьшением количества цемента границы микротрещин по­

возрастают с увеличением его возраста и прочности, что подтверждает универсальность теории микроразрушения бетона, разработанной О. Я. Бергом.

Проведенные исследования подтвердили также другие результаты опытов ЦНИИСа [10, 76], свидетельствующих о том, что развитие

36

микротрещин в бетоне под возрастающей нагрузкой существенно зави­ сит от его микро- и макроструктуры.

Исследования показали, что длительное нагружение образцов в раннем возрасте при напряжениях Сб(т2) = (0,3—0,4)^пр(т2) положи­ тельно влияет на процесс твердения пропаренного полимерцементного бетона. Влияние длительного обжатия на процесс микроразруше­ ния зависит от состава и прочности бетона, вида полимерной добавки и ее количества, величины сжимающих напряжений и других факто­ ров. При действии напряжений большой интенсивности (до 50% от призменной прочности образцов в момент их нагружения) происходит быстрый и ощутимый процесс уплотнения структуры полимерцементного бетона. При этом граница микротрещин 7?° такого бетона повы­ шается примерно на 20%.

Таким образом, наши опыты полностью подтвердили результаты исследований, проведенных в ЛИИЖТе и ЦНИИСе [10, 11, 87], сви­ детельствующих о том, что улучшение бетона под нагрузкой является общей закономерностью, свойственной материалам, которым присущи нарастание прочности во времени и пластические деформации.

возможность утверждать, что полимерцементный бетон обладает по­ вышенными пределами нелинейной ползучести, выносливости и длитель­ ной прочности. Так, например, исследования подтвердили, что добав­ ки смолы ДЭГ-1 значительно увеличивают сопротивление бетона дей­ ствию повторяющихся нагрузок. Все это свидетельствует о том, что применение полимерцементного бетона позволяет уменьшать размеры поперечного сечения элементов, вес предварительно-напряженных кон­ струкций и способствует повышению их долговечности.

Как известно, длительное предварительное обжатие конструкции может как увеличивать, так и снижать прочностные характеристики бе­ тона. Особенно опасно образование трещин вдоль напрягаемой арма­ туры элементов при сильном обжатии бетона.

Из интересных результатов работы О. Я. Берга, Ю. Н. Хромца [11] вытекает, что продольные трещины не образуются, когда напряжения бетона меньше или несколько превышают границу образования микро­ трещин 7?°(t2). Однако во всех случаях величина сжимающих напря­ жений должна быть меньше предела длительной прочности бетона, так как возникающие при напряжениях Об(тг) > Я Дл(тг) микроразрушения в бетоне со временем не прекращаются.

37

Опыты подтверждают, что продольные трещины не образуются да­ же при достаточно высоком уровне обжатия полимерцементного бето­ на, составляющем 0 6 (ti)aR(tj) =0,8—0,85. Это объясняется, во-первых, тем, что вследствие неупругих деформаций бетона равнодействующая усилий в арматуре и ее эксцентриситет быстро уменьшаются. Во-вто­ рых, полимерные добавки повышают границу образования микротре­ щин и препятствуют нарушению структуры обжатого бетона. При этом вредное влияние усилий обжатия на снижение прочности бетона при растяжении будет минимальным.

При внецентренном предварительном обжатии элементов напря­ жения в обычном и полимерцементном бетоне Об(тг) не должны пре­ вышать величин соответственно 0,75 и 0,85 /?пр(тг). Этому соответству­ ют значения отношения напряжения аб(тг) к кубиковой прочности бе­ тона в момент окончания его обжатия R(тг), равные примерно 0,6

и 0,7.

При натяжении арматуры на упоры и сильном внецентренном об­ жатии элемента происходят потери предварительного напряжения от неупругих деформаций бетона до окончания его обжатия. Поэтому мак­ симальная величина напряжений в обычном и полимерцементном бето­ не 0 6 (ti), рассчитываемая по упругой стадии работы без учета потерь предварительного напряжения, может быть повышена до величин со­ ответственно 0,7 и 0,8

Т а б л и ц а 10

Рекомендуемые значения максимального относительного обжатия бетона кубиковой прочности R (28) = 40 —60 МПа на уровне напрягаемой арматуры

38

Для внедентренно обжатых элементов, воспринимающих неболь­ шую постоянную нагрузку и относительно большую кратковременную, напряжение обжатия обычного и полимерцементного бетона а(хг) ре­ комендуется принимать не более соответственно 0,5 и 0,6 R (тг). При натяжении арматуры на упоры напряжение сгб(тн) не должно превы­ шать величин соответственно 0,55 и 0,65 i?(ti) (см. табл. 10, которая составлена с учетом опытных данных и рекомендаций «Инструкции по проектированию железобетонных конструкций», 1968 г.).

2.2.Прочность и деформационность

ВВильнюсском ИСИ проводились опыты, целью которых было изучение прочностных и деформационных свойств полимерцементного бетона кубиковой прочности 20—60 МПа при кратковременном нагру­ жении [16, 17, 44, 46, 47, 56, 57, 62, 63, 67, 81]. Бетонная смесь приго­ товлялась на гранитном щебне, кварцевом песке и портландцементе ак­ тивности 40 МПа. Полимерная добавка составила 2% от веса цемента. При этом изучались эффекты первого рода (смола вводилась в бетон­ ную смесь дополнительно) и второго рода (при введении смолы умень­ шилось количество воды и цемента, однако при этом жесткости смесей

обычного и полимерцементного бетона были одинаковыми). Наряду с образцами из полимерцементного бетона изготовлялись контрольные кубики, призмы и другие образцы из обычного бетона.

При изучении эффекта первого рода применялся полимерцементный бетон естественного твердения во влажной среде [44, 62, 63]. Опыты показали, что добавки смол ДЭГ-1, ТЭГ-17 и № 89 повышают прочность бетона тем сильнее, чем больше в бетонной смеси содер­ жится воды и мелкого заполнителя. Это по-видимому, объясняется тем, что при больших водоцементных соотношениях и незначительном расходе цемента небольшое количество полимеров распределяется в смеси более равномерно, что ведет к повышению однородности бетона. Избыток мелкого заполнителя незначительно уменьшает прочность по­ лимерцементного бетона из-за наличия повышенного сцепления цемент­ ного камня и кварцевого песка. Как известно, избыток песка может сильно уменьшать прочность обычного бетона.

Экспериментально установлено, что полимерцементный бетон ме­ нее чувствителен к условиям твердения. Поэтому при хранении образ­

39