книги из ГПНТБ / Ахвердов И.Н. Моделирование напряженного состояния бетона и железобетона

цементного камня и бетона, т. е. является

ли цементный

камень по своей физической сущности

«миниатюрной»

моделью бетона или он включает

в себя

целый

р я д до­

полнительных свойств. В первом

случае

з а д а ч а

упроща ­

некоторой

корректировке перенесены

на

закон

д е ф о р м и ­

рования и

р а з р у ш е н и я

бетона

(ступенчатая

а н а л о г и я ) .

Во втором случае физическая и аналитическая

интерпре­

тация

явления

усложняется;

индивидуальные

свойства

с о с т а в л я ю щ и х

не

могут

игнорироваться

и д о л ж н ы

быть

учтены в

описании общего

закона

д е ф о р м и р о в а н и я бе­

тона.

Существенным

вопросом

является

выявление

х а р а к ­

тера

связи

м е ж д у структурными

элементами

бетона,

величины этой связи и возможного м е х а н и з м а

наруше ­

ния сплошности, начиная от начальной стадии

( л о к а л ь ­

ные

р а з р у ш е н и я )

и кончая самим

процессом

р а з р у ш е н и я ,

т. е. перехода от местной

неустойчивости

(качествен­

ный

ф а к т о р )

к глобальному

(количественному)

разру ­

шению.

Очевидно,

что

ответы на эти

вопросы

могут

д а т ь

правильно

обоснованные

методические

приемы. В

этой

связи

в а ж н о е

значение

приобретает

выбор

модели

объ­

екта

исследований.

Р е з у л ь т а т ы

испытаний

о б р а з ц о в

бетона в натуре позволяют получить

объективные

зако ­

номерности

и зависимости.

О д н а к о при выполнении

та­

ких

исследований

встречаются значительные

трудности

в части постановки экспериментов.

В

настоящее

время

нет

р а з р а б о т а н н ы х

методик

и приборов,

п о з в о л я ю щ и х

исследовать

реакцию

структуры

гетерогенного

материа ­

л а на внешнюю нагрузку

непосредственно на

реальных

образцах . Тензометрический

метод,

как у к а з ы в а л о с ь

ра­

нее,

не

удовлетворяет

этим

требованиям

из-за

сравни­

тельно

большой

б а з ы

измерения,

которая,

к а к

правило,

превосходит

линейные

р а з м е р ы

элементов

структуры

бетона, а поэтому такой способ не эффективен .

Следова ­

тельно,

при

исследовании

свойств

бетона

на

о б р а з ц а х ,

к а к это ни парадоксально,

с л о ж н о получить

необходимые

д а н н ы е

д л я

описания

закона

взаимодействия

компонен­

тов структуры. В то ж е

время экспериментальные

испы­

тания реального

м а т е р и а л а сохраняют

свою

силу и зна­

ского

моделирования бетона

[40, 119,

124,

160,

161].

Н а д о

полагать, что оптимальным

случаем

был

бы

тот,

при котором физическая модель

бетона

(с

необходимой

и обоснованной схематизацией явления)

позволила

ис­

комплекса

наиболее

современных

и

разнообразных

средств измерений.

Предпочтение физической

модели

математической

в

начальной

стадии

накопления экспериментальных

дан­

ных закономерно .

Н а

этом этапе в а ж н о

выяснить физи­

ческое

с о д е р ж а н и е

явления .

Кроме

того,

физическая

модель

р а с п о л а г а е т

более широкими

возможностями

с

точки зрения использования опыта исследователя .

Естественным продолжением

решения

проблемы

фи­

зической прочности бетона следует признать

м а т е м а т и з а ­

цию выявленных экспериментально

закономерностей,

т . е .

нахождение

аналитической

ф о р м ы

д л я их

в ы р а ж е н и я .

Аналитический а п п а р а т

д о л ж е н

учитывать

изменчивость

комплекса

п а р а м е т р о в ,

их

в з а и м о с в я з ь

и

определять

степень

влияния этих

п а р а м е т р о в

на

конечные механиче­

ские свойства м а т е р и а л а .

В ы с к а з а н н ы е с о о б р а ж е н и я о

последовательности

ре­

представляет значительный

методологический интерес и

с л у ж и т

основой

д л я

развития этой

проблемы

в настоя­

щей

работе .

Следует еще

р а з

подчеркнуть, что работа

не

рассмат ­

ривает

феноменологические

теории

прочности

бетона,

основанные на гипотезе сплошности

м а т е р и а л а .

Сущест­

вуют

убедительные

д о к а з а т е л ь с т в а

того

[18,

138, 144,

151],

что законы

д е ф о р м и р о в а н и я и

р а з р у ш е н и я

бетона

образованием

в бетоне,

поскольку н а р у ш а е т с я

предпо­

сылка о сплошности у ж е в начальной стадии

деформиро ­

вания ( н и ж н я я граница

т р е щ и н о о б р а з о в а н и я

находится

в пределах 0,33—0,6 ^ П р ) - Д а ж е

х а р а к т е р н о е

отклонение

д и а г р а м м ы

« н а п р я ж е н и е — д е ф о р м а ц и я »

от

прямой,

которое обычно трактуется как

проявление пластической

д е ф о р м а ц и и ,

вызвано

отчасти

микротрещинообразова -

нием. Р я д

исследований

не оставляют

сомнения в том,

что это явление имеет место и при сложном

н а г р у ж е н и и

[124]. Н е с м о т р я на то что

ф о р м а л ь н ы й

вид

д и а г р а м м ы

« н а п р я ж е н и е

— д е ф о р м а ц и я » к а к

будто

и

соответствует

понятию

об

упруго-пластической

работе

м а т е р и а л а ,

по своей физической

природе причиной.

Это

позволило

некоторым

авторам

[119, 124, 139,

165]

р а с с м а т р и в а т ь

структуру

бетона к а к

многократно

статически

неопреде ­

нителем

различных

размеров, формы и объемного содер­

ж а н и я .

К р о м е того,

в цементном камне, как правило,

ственного

и

искусственного

происхождения .

Физико - ме ­

ханические

свойства

цементного

камня

и

заполнителя

неодинаковы, р а з н о о б р а з н а

и

форма связи м е ж д у

ними.

В совокупности эти качества определяют

высокую

сте­

пень неоднородности

бетона

и

з а т р у д н я ю т исследование

законов

его д е ф о р м и р о в а н и я

и

разрушения .

О б р а з о в а н и е

пространственной структуры

цементного

камня

сопровождается

физико-химическими

превраще ­

ниями,

которые

в

конечном

счете

и

определяют

его

механические и физические свойства. Твердению

цемент­

ного

камня

сопутствуют

внутриструктурные

объемные

изменения, которые о к а з ы в а ю т

существенное

влияние

на

х а р а к т е р

его работы .

Следует

у к а з а т ь па

в а ж н е й ш и е

физико-химические

п р е в р а щ е н и я в свете последних представлений

о

кинети­

ке протекания этих

процессов.

' Р а б о т а м и

[4,

13,

109]

показано,

что наиболее активной

зоной

физико-химиче­

ских превращений при взаимодействии цемента с

водой

являются

адсорбционный

и д и ф ф у з н ы й слои

сольватной

оболочки,

о к а й м л я ю щ и е

зерна

цемента.

Здесь

главным

образом

и

возникают

наиболее

благоприятные

условия

процесса коллоидации

наступает

стадия твердения,

кото­

р а я

характеризуется

контракцией

(стяжением)

о б ъ е м а

геля

вокруг цементных

ядер . В результате, на фоне

гелие­

вых оболочек возникают

реакционные

каемки

(субмикро­

кристаллические

новообразования

и

а м о р ф н ы е

включе­

ния), с в я з ы в а ю щ и е отдельные цементные ядра в

монолит.

П р е в р а щ е н и е

геля

в

твердое

тело

происходит

посте­

пенно, пропорционально

скорости

упрочнения

различных

по

минералогическому

составу

кристаллогидратов .

О б щ е е водосодержание

в

системе

непосредственного

влияния на

физикомеханические

процессы

не

о к а з ы в а ­

ет, в

связи

с чем

толщина

реакционных каемок

и их

цементного камня, и с уменьшением

пористости реакци ­

онных

каемок

возрастает плотность

и прочность

связи

м е ж д у

отдельными цементными я д р а м и .

Температура и

в л а ж н о с т ь среды могут

ускорить, з а м е д л и т ь

или

вовсе

приостановить

процессы

гелеобразования

и к р и с т а л л и з а ­

ции. Влияние

у к а з а н н ы х

факторов сказывается

в

конеч­

ности реакционных к а е м о к в цементном

камне .

Химико-физический

механизм твердения

цементного

к а м н я с о п р о в о ж д а е т с я

изменением объемов

исходных

компонентов, в л и я ю щ и х

в свою очередь

на

ф о р м и р о в а ­

ние его физико - механических свойств.

П р и оценке с л о ж и в ш е й с я структуры цементного

кам ­

ня следует учитывать т а к ж е наличие значительного

числа

пор, пустот и усадочных трещин. Н а п р и м е р ,

по д а н н ы м

П а у э р с а ,

при

полной гидратации

цемента

его

объем с

порами в геле возрастает в среднем

в

2,2

р а з а . Все

это

позволило В. Н. Юнгу с формальной точки зрения

с р а в ­

нить с л о ж и в ш у ю с я структуру цементного камня

со

структурой

бетона

и назвать

цементный

камень

«микро­

бетоном».

Следовательно,

твердение

цементного

к а м н я

сопро­

в о ж д а е т с я

изменением

пористости

системы,

сложившей ­

ся в

стадии

ф о р м и р о в а н и я коагуляционной структуры

цементного

теста.

Таким образом, имеет место качественное соответст­

вие

м е ж д у

структурой

бетона

и

цементного

к а м н я .

В частности, не допуская большой погрешности,

струк­

туру

бетона

м о ж н о представить в виде системы

из

зерен

заполнителей

(играющих

роль

цементных

я д е р ) ,

связан ­

ных м е ж д у

собой о к а й м л я ю щ и м и

их оболочками

цемент­

ного

камня . Т а к а я

аналогия,

вероятно, уместна

в

основ­

ном д л я бетонов на плотных заполнителях, где

система

«заполнитель — цементный камень»

и

принятая

соответ­

с т в у ю щ а я

ей

система

«цементное

ядро — о к а й м л я ю щ а я

оболочка»

имеют

качественное

соответствие

по

механи ­

ческим

х а р а к т е р и с т и к а м

(рис.

1).

Следовательно,

у ж е

сам по

себе

цементный

камень

является

неоднородным

телом с м е н я ю щ и м и с я в зависимости

от

минералогиче ­

ского

состава,

условий

твердения

и т. д.

п а р а м е т р а м и

прочности и деформативности . К а р т и н а

взаимодействия

значительно

у с л о ж н я е т с я

введением

заполнителя .

П р и

оценке свойств бетона необходимо учитывать целый

р я д

характеристик

заполнителей,

а

именно

д е ф о р м а т и в н о с т ь

и прочность

исходного м а т е р и а л а ,

его

структуру,

форму,

рельеф

поверхности

зерен, величину

сцепления

и

т. д.

К а ж д а я

из

у к а з а н н ы х характеристик

д о л ж н а

быть

ква ­

л и ф и ц и р о в а н а

отдельно,

независимо

от других

и

выделе ­

такой методологический подход

позволит

из

многочис­

ленных

экспериментальных

данных в ы б р а т ь

основные,

о п р е д е л я ю щ и е п а р а м е т р ы ,

роль

которых

в

формирова ­

нии свойств бетона будет п р е о б л а д а т ь над

менее сущест­

венными,

второстепенными.

и д е ей описания закономерностей д е ф о р м и р о в а н и я и

р а з ­

р у ш е н и я м а т е р и а л а . Тем не менее

следует

у к а з а т ь , что

есть определенные д о с т и ж е н и я

в

решении

этой

задачи .

Р а с с м а т р и в а я цементный

камень ка к

двухкомпонент - .

ную

систему

( м и к р о у р о в е н ь ) ,

состоящую

из

цементных

ядер

и о к а й м л я ю щ и х их новообразований, представляет

интерес определить,

какова ж е прочность

и

д е ф о р м а т и в -

ность этих элементов, а т а к ж е величина сцепления

меж ­

д у ними, о б е с п е ч и в а ю щ а я конечную прочность

системы.

Определить непосредственно

из

опыта

абсолютную

величину

прочности

на

с ж а т и е

цементного

клинкера —

м а т е р и а л а

цементного

я д р а — сложно .

П о э т о м у

с не­

большой

погрешностью

м о ж н о

судить о

ней косвенно,

по аналогии с величиной прочности плотных

мелкозер ­

нистых горных пород. И х прочность приблизительно

рав ­

на 3000

кгс/см2.

Прочность

гидратированной

части цемента

(окай­

м л я ю щ и е

цементные я д р а новообразования)

м о ж е т

быть

о х а р а к т е р и з о в а н а

величиной,

приблизительно

равной

1200 кгс/см2

[38] . Поскольку

связь

м е ж д у

цементными

я д р а м и осуществляется

спайкой каемок,

о б р а з у ю щ и х с я

в процессе реакции

гидратации, то при твердении

величи­

на сцепления

достигает

того ж е порядка, что и

прочность

О б щ а я величина

прочности

с л о ж и в ш е й с я структуры

цементного к а м н я с учетом ослабления структуры

внут-

ригелевыми и

к а п и л л я р н ы м и порами

зависит

от

р я д а

причин (водоцементного

отношения, вида

цемента, сте­

пени уплотнения и т. д.)

и, по

д а н н ы м

р я д а

авторов

[4, 38, 164], колеблется в пределах от 300 до 900

кгс/см2

при В / Ц = 0,3—0,5.

Следует заметить, что при гидратации

цемента

ново­

о б р а з о в а н и я

вокруг

цементного

ядра

я в л я ю т с я

ка к бы

естественным

его продолжением .

Механические

х а р а к т е ­

ной части. Этим

с а м ы м

обеспечивается тесная

связь на

условном контакте м е ж д у

э л е м е н т а м и системы

и практи ­

чески величина

сцепления

м е ж д у

новообразованиями и

цементным я д р о м х а р а к т е р и з у е т с я

прочностью

на растя ­

ж е н и е гидратированной

части цемента. В этом

качествен­

ное отличие структуры

цементного

к а м н я от бетона, д л я

которого в р я д е

случаев величина сцепления

в контакте

с заполнителем

ниже прочности цементного

камня (рас­

твора) .

ние абсолютных объемов цементных ядер и

новообразо ­

ваний в цементном

камне, растворе и бетоне. П о

д а н н ы м

р я д а

авторов [38]

(рис. 2), м о ж н о

определить

границы

изменчивости в а ж н е й ш и х физических

п а р а м е т р о в

це­

ментного

к а м н я при

с ж а т и и

RCK.

ц к = 300—900

кгс/см2;

прочность

при осевом

р а с т я ж е н и и

Rv. ц к = 25—80

кгс/см2;

модуль д е ф о р м а ц и и

цементного

к а м н я

по

Хиршу £ к =

= 0,1-106 —0,3 • 106

кгс/см2.

М а к с и м а л ь н а я прочность

це­

ментного

камня, по д а н н ы м И. Н. Ахвердова

и М. А. Ша -

л и м о

[ 1 3 ] , составляет

более

1650 кгс/см2.

П р е д е л ь н а я

0,33 в/и

Рис. 2. Зависимость

между

В/Ц и прочностью цементного камня при

сжатии

и

изгибе: / — снижение прочности

цементного

камня

при

изменении

его пористости; 2 — прочность цементного камня при сжа­

тии; 3—то

же, при добавке

1—2% бентонита; 4 — прочность цемент­

ного камня на разрыв при изгибе; 5 — то же, при осевом

растяжении

(по Ю. Е. Корниловичу);

6 — объем воды

и

воздуха (капиллярные

поры);

7 — объем,

занятый

тоберморитом

и

другими

гидратами п

порами

в геле; 8— объем

гелевых пор; 9 — объем клинкерных

зерен

в

цементном камне

•

.

2. Зак. 376

Г е е . п у б л и ч н ая

научно - T O X W I ,<> 'ua

д е ф о р м а ц и я А / = 6 мм/м.

Объемно е с о д е р ж а н и е

цемент­

ных

ядер Ѵц. я = 6—23%;

новообразований

с

гелиевыми

порами

Ѵнов = 40—60%,

гелиевых

пор Ѵ т . п = 1 0 % . воды и

воздуха

( к а п и л л я р н ы е

поры)

— Ѵк. п = 5 5 — 2 0 % ,

соотно­

шение

объемов:

_ ^

= 2 3

_

1

.

Ѵков

_

60 _

3

,

Ѵк

100

5

'

Ѵк

100

5

Ѵк.и

,

20

_

1

Ѵк

ЮОО

5

Упругие

характеристики

компонентов

структуры це­

ментного камня

могут

быть оценены л и ш ь косвенно,

исходя

из

величины

прочности

горных

пород;

Ец. я —

= 600 000 кгс/см2,

£ „ о

в = 200 000—300 000

кгс/см2,

£к =

= 180 000 кгс/см2

F

и — £ - =

3-h2.

Е

^ н о в

[ 1 н о

Исходя

из тех ж е соображений, д ц я

= 0,3,

в = 0,12,

цк = 0 , 2 3 .

В

отношении

х а р а к т е р а

р а з р у ш е н и я

цементного кам ­

ня и

зависимости

м е ж д у

н а п р я ж е н и е м

и д е ф о р м а ц и е й

следует

признать

справедливым

утверждение

авторов

[118,

130],

считающих,

что с

незначительной

погрешно ­

стью

м о ж н о принять

дл я

цементного

к а м н я

п р я м у ю

пропорциональность м е ж д у н а п р я ж е н и е м

и д е ф о р м а ц и е й

вплоть до разрушения , причем

его прочность

составляет

в среднем

130%

от прочности

бетона. М е х а н и з м

разру ­

шения цементного

камня с качественной

стороны

а н а л о ­

ких материалов , т. е. крива я о—

е не имеет

нисходящей

ветви и само разрушени е происходит

почти

мгновенно.

Последовательность

р а з р у ш е н и я

такой

системы

пред ­

ставляется следующим

образом . Р а з р у ш е н и е

происходит

в результате

концентраций н а п р я ж е н и й

в зонах,

где

градиент внешних сил вызывает пик усилий,

обусловлен ­

ный различием деформативны х свойств

составляющих ,

их взаиморасположением , формой, и объемным

с о д е р ж а ­

нием, присутствием

к а п и л л я р н ы х

и

внутригелевых пор

(объем последних 20—55%).

Согласно

оценке

А. Е. Д е с о в а

[42, 43], вокруг пор и

усадочных трещин

могут возникать

пики

н а п р я ж е н и й ,

п р е в ы ш а ю щ и е средние

по сечению

м а т е р и а л а

в

1,7—3

р а з а . Пр и наиболее

невыгодном сочетании

мест

концент-

р а ц ий в плотных

молекулярных пакетах

тоберморита и

кристаллогидратных

новообразований

возникают

пере­

н а п р я ж е н и я , превосходящие прочность

исходного субми­

крокристаллического

элемента . Последний

р а з р у ш а е т с я ,

п е р е р а с п р е д е л я я

н а п р я ж е н и я

на

соседние

элементы .

Такое р а з р у ш е н и е носит динамический

характер и сопро­

в о ж д а е т с я

ударной волной. В

результате

в о з м о ж н а ло­

к а л и з а ц и я

зоны

разрушения, если трещина встречает на

своем пути

более

прочные участки

м а т е р и а л а

(например,

цементные

я д р а )

она меняет свою ориентацию по отно­

шению к градиенту действующего в м а т е р и а л е

поля

на­

п р я ж е н и й ;

тогда

максимум концентраций

перемещается

нагрузка не

п р е в ы ш а е т некоторого предела,

способного

в ы з в а т ь

т р е щ и н о о б р а з о в а н и е в

некотором

критическом

д л я общей прочности микрообъеме

образца,

то

процесс

будет носить з а т у х а ю щ и й

х а р а к т е р ,

в

противном

слу­

ч а е — л а в и н о о б р а з н ы й , приводящий

к полному

разруше ­

нию

и р а з д е л е н и ю о б р а з ц а

на части.

Б л а г о д а р я особенностям

строения

структуры

цемент­

ного

к а м н я

(высокая степень связи

новообразований

с

цементными

я д р а м и , значительное

содержание

пор

в

новообразованиях)

при соотношении

м е ж д у абсолютны ­

ми

о б ъ е м а м и

цементных

ядер

и

новообразований

^ ц я

1

1

—— = - — :

наиболее с л а б ы м

звеном

структуры яв-

^ н ов

6

3

ляется

м а т е р и а л

новообразований,

в

особенности

зоны

вблизи

структурных

пор.

Р а с с м а т р и в а я

раствор

как

самостоятельную

фазу

бетона, м о ж н о заключить, что по внешним

п р и з н а к а м

он

подобен

бетону. К а к

и в последнем, цементный

камень

в

р а с т в о р е является сквозной непрерывной фазой

материа ­

ла, о б в о л а к и в а ю щ е г о зерна

песка. Песок имеет,

подобно

ческий состав

[30] . П р и

проведении аналогии

в а ж н о

и то,

что раствор

м о ж е т

быть рассмотрен как д в у х ф а з ­

ный

м а т е р и а л

с

искусственно организованной

фазой

ходят аналогичные свойства

цементного камня .

О п ы т ы по

изучению свойств

песчаного

раствора, его

д е ф о р м а т и в н ы х и прочностных

характеристик и процесса

р а з р у ш е н и я

[15] позволяют

выявить р я д

специфических

особенностей

поведения этого

м а т е р и а л а .

2*

19