![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Ахвердов И.Н. Моделирование напряженного состояния бетона и железобетона
.pdfгетерогенной |
структуры |
бетона |
о к а з ы в а ю т |
влияние |
||
следующие |
ф а к т о р ы : |
прочностные и д е ф о р м а т и в н ы е |
||||
свойства заполнителя |
и |
матрицы; |
объемное |
с о д е р ж а н и е |
||
заполнителя |
в системе; |
величина |
сцепления |
по |
границе |
р а з д е л а заполнитель — матрица; неоднородное распре деление заполнителя в объеме бетона, его геометриче ские и петрографические характеристики; макро - и мик
родефекты |
в |
структуре |
матрицы; |
д е ф о р м а ц и и |
усадки |
|||||||
матрицы и обусловленное этим поле остаточных |
напря |
|||||||||||
жений . Учесть столь значительное |
число |
переменных в |
||||||||||
их взаимосвязи |
и |
выразить ее |
аналитически |
в |
удобной |
|||||||
для практики форме не представляется |
пока |
возмож |
||||||||||
ным. Трудность |
усугубляется |
еще |
и тем, |
что |
у ж е |
в |
на |
|||||
чальной стадии н а г р у ж е н и я бетона матрица |
испытывает |
|||||||||||
предельные |
д е ф о р м а ц и и , |
приводящие к |
нарушению |
ее |
||||||||
сплошности, |
т. е. к |
м и к р о т р е щ и н о о б р а з о в а н и ю . |
|
|
|
|||||||
Исследование |
поведения бетона под |
нагрузкой |
|
к а к |
||||||||
сложной многоступенчатой гетерогенной системы |
вызва |
|||||||||||
ло необходимость введения в методологию решения |
за |
|||||||||||
дачи ряда |
допущений, |
схематизирующих |
явление. |
Это, |
||||||||
во-первых, |
понятие |
о бетоне |
как |
о двухкомпонентной |
||||||||
системе, |
элементы |
которой — м а т р и ц а |
|
(цементный |
||||||||
камень, раствор) |
и заполнитель — |
удовлетворяют |
пред |
|||||||||
посылкам механики континуума. Указанный |
принцип |
|||||||||||
при д а л ь н е й ш е м |
приближении |
к реальному |
м а т е р и а л у |
может быть перенесен на мезоуровень применительно к
системе |
«зерна |
песка — цементный |
камень» |
и микро |
||||
уровень — «цементный камень» (микробетон |
|
по |
В. Н . |
|||||
Юнгу |
и |
И. Н. А х в е р д о в у ) . Во-вторых, р я д авторов |
[11, |
|||||
119, |
161] |
считают |
целесообразным |
дополнить |
предыду |
|||
щее допущение, |
а |
именно: в условной системе |
«матри |
ца — заполнитель» считать заполнитель равномерно и
регулярно |
распределенным |
в |
м а т р и ц е |
|
цементного |
к а м |
||||||||
ня ( р а с т в о р а ) . |
П р и |
этом, |
как |
правило, |
форма |
заполни |
||||||||
теля |
принимается |
шаровидной |
или |
|
в |
виде |
дисков |
|||||||
(в |
случае |
|
решения |
системы |
как |
плоской |
з а д а ч и ) . |
|||||||
В-третьих, при решении задачи о деформативной |
|
спо |
||||||||||||
собности |
двухкомпонентной |
системы |
до |
границы R° |
||||||||||
предполагается, что |
обеспечивается |
полное |
сцепление |
|||||||||||
заполнителя |
с |
матрицей . |
Такое |
абстрагирование |
рас |
|||||||||
с м а т р и в а е м о й |
системы имеет |
свои преимущества |
и |
не |
||||||||||
достатки. |
К |
первым |
следует |
отнести: |
а) |
в о з м о ж н о с т ь |
||||||||
применения |
математических |
методов |
д л я |
описания |
за- |
30
кономерностей |
д е ф о р м и р о в а н и я |
двухкомпонентной |
упо |
|||||||||||
рядоченной |
структуры |
(математическое |
моделирова |
|||||||||||
ние), |
т. е. возможность |
чисто |
аналитической |
интерпре |
||||||||||
тации р а с с м а т р и в а е м о г о явления; |
б) |
физико-механиче |
||||||||||||
ское |
моделирование |
— |
з а м е н а |
реального м а т е р и а л а |
его |
|||||||||
физическим |
аналогом |
с последующим |
|
изучением |
||||||||||
свойств модели |
экспериментальными |
методами, |
приме |
|||||||||||
нение |
которых |
д л я |
исследования |
реального |
|
м а т е р и а л а |
||||||||
вызывает |
значительные |
трудности. |
Достоверность |
как |
||||||||||
математической модели, т а к |
и физической |
в |
конечном |
|||||||||||
счете |
д о л ж н а |
быть п о д т в е р ж д е н а |
р е з у л ь т а т а м и |
испыта |
||||||||||
ния бетона в натуре — |
установлено соответствие |
факти |
||||||||||||
ческих нормируемых |
х а р а к т е р и с т и к |
м а т е р и а л а |
конеч |
|||||||||||
ным |
характеристикам, |
полученным |
аналитическими |
и |
||||||||||
экспериментальными |
методами |
на |
соответствующих |
|||||||||||
а н а л о г а х . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вместе |
с |
тем |
при |
упрощенном |
представлении |
о |
структуре бетона не принимается во внимание р я д фак торов, которые в определенных условиях могут сущест
венно влиять |
на |
д е ф о р м а т и в н ы е |
и |
прочностные |
свойства |
|||||||||
м а т е р и а л а . Так, |
М. Ансон [158] |
считает, |
|
что в |
идеализи |
|||||||||
рованных |
моделях |
распределение |
н а п р я ж е н и й |
отлича |
||||||||||
ется от реальной картины в |
бетоне с хаотично |
располо |
||||||||||||
ж е н н ы м заполнителем |
и э ф ф е к т |
взаимодействия |
вклю |
|||||||||||
чений в матрице |
отсутствует. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Выбору |
модели |
в качестве |
|
объекта |
исследования |
|||||||||
д о л ж е н предшествовать |
а н а л и з |
|
информации |
(по край |
||||||||||
ней мере |
качественный) |
об |
общих |
закономерностях |
по |
|||||||||
ведения |
структуры |
реального |
|
бетона |
под нагрузкой с |
|||||||||
тем, чтобы |
на |
его основе м о ж н о |
|
было, |
отбросив |
второ |
||||||||
степенные |
признаки |
и |
сохранив |
|
основные, |
построить |
||||||||
модель с |
достаточным |
д л я |
практики |
|
приближением . |
|||||||||
Изучение |
столь сложной |
структурной |
системы, |
есте |
||||||||||
ственно, обусловило |
и |
различные |
точки |
|
зрения |
на |
спо |
собы решения проблемы . В работах [45, 47, 115, 153, 163, 165] предлагается методика, основанная на иссле
дованиях |
реального |
м а т е р и а л а с |
применением в |
качест |
||
ве |
экспериментального |
а п п а р а т а микроскопических |
||||
методов |
наблюдения за |
механизмом р а з р у ш е н и я струк |
||||
туры, тензометрического |
метода |
и метода фотоупругих |
||||
покрытий |
(способ |
исследования |
поля д е ф о р м а ц и й в |
|||
структурных э л е м е н т а х ) , |
рентгеноструктурного |
а н а л и з а |
||||
и |
ультразвукового |
просвечивания |
(определение |
начала |
31
м и к р о т р е щ и н о о б р а з о в а н и я |
и м е х а н и з м а |
р а з р у ш е н и я ) , |
|||||||||||||
а т а к ж е |
методов, |
основанных |
на |
р е з у л ь т а т а х |
испытания |
||||||||||
опытных о б р а з ц о в |
м а т е р и а л а |
|
[20, |
21] . |
|
И н ф о р м а ц и я , |
|||||||||
полученная |
таким |
образом, не |
в ы з ы в а е т |
сомнения с |
точ |
||||||||||
ки зрения ее достоверности, однако методика, |
основан |
||||||||||||||
ная на изучении реального бетона, не позволяет |
д и ф ф е |
||||||||||||||
ренцировать |
степень |
влияния |
отдельных |
п а р а м е т р о в |
|||||||||||
структуры на свойства м а т е р и а л а и |
получить |
количест |
|||||||||||||
венную |
в з а и м о с в я з ь |
м е ж д у ними. Вместе с |
тем |
необхо |
|||||||||||
димость |
такого |
рода |
исследований |
очевидна, |
т а к |
как |
|||||||||
результаты |
опытов дают |
качественную |
характеристику |
||||||||||||
процесса р а з р у ш е н и я |
структуры |
реального |
бетона. |
|
|
||||||||||
В р а б о т а х |
[11, |
132, |
137] |
предлагается |
методика, |
||||||||||
основанная |
на |
исследовании не |
реального |
м а т е р и а л а , |
а |
||||||||||
его физико - механического |
аналога . |
О б щ и е |
принципы |
||||||||||||
построения |
модели |
структуры |
бетона |
базируются |
на |
||||||||||
существующих |
знаниях о |
механизме |
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, |
полученных |
на |
р е а л ь н ы х |
|
о б р а з ц а х |
|||||||||
и на абстрактных схемах, свойственных |
феноменологи |
||||||||||||||
ческим теориям прочности [7, 16, 27] . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Предпочтение, |
которое |
д а ю т |
многие |
авторы |
физиче |
||||||||||
ским моделям, |
не |
случайно и |
вызвано тем |
|
очевидным |
фактом, что физическая модель при правильном ее об
основании |
представляет |
большие возможности |
д л я |
ее |
||||||||||
исследования новейшими |
экспериментальными |
|
метода |
|||||||||||
ми. Вместе с тем она способна сочетать |
в |
себе |
|
элемен |
||||||||||
ты идеализации с м а т е р и а л ь н ы м воплощением |
|
в а ж н е й |
||||||||||||
ших закономерностей, присущих реальному |
м а т е р и а л у . |
|||||||||||||
Таким образом, |
накопление |
знаний на реальных |
об |
|||||||||||
р а з ц а х м а т е р и а л а |
с |
последующим |
воплощением |
|
их |
в |
||||||||
физико - механических |
моделях |
является |
наиболее |
э ф |
||||||||||
фективным |
методологическим |
приемом |
д л я |
р а з р а б о т к и |
||||||||||
физической |
теории |
прочности |
гетерогенных |
м а т е р и а л о в |
||||||||||
типа бетонов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р е з у л ь т а т ы исследования |
д е ф о р м и р о в а н и я |
и |
разру |
|||||||||||
шения структуры |
реального бетона |
позволяют |
|
соста |
||||||||||
вить представление об основных закономерностях |
пове |
|||||||||||||
дения системы под нагрузкой . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Установлено |
[18, |
23, |
138, |
144, 152], |
что |
р а з р у ш е н и е |
||||||||
структуры |
бетона |
по |
м а т р и ц е |
и |
границе |
р а з д е л а |
|
матри |
||||||
цы с заполнителем начинается |
з а д о л г о |
до |
исчерпания |
|||||||||||
несущей способности |
м а т е р и а л а |
в целом. Явление |
полу |
|||||||||||
чило название |
внутреннего |
м и к р о т р е щ и н о о б р а з о в а н и я , |
32
при |
этом |
граница |
RT |
(рис. |
5) |
составляет, |
по |
д а н н ы м |
||
многочисленных опытов, при испытании бетона |
на осе- |
|||||||||
Еое |
с ж а т и е |
0,3-^0,7 |
^ П р - Это |
свойство структуры |
позво |
|||||
лило |
ф о р м а л ь н о |
сравнить |
ее |
со статически |
неопредели |
|||||
мой |
системой |
[139, |
165], |
характеристика |
статической |
|||||
неопределимости |
которой |
величина переменная, |
завися |
|||||||
щ а я |
от нагрузки, действующей |
на образец . |
|
|
|
|
|
Рис. 5. Диаграмма сжатия бетона |
|
|
|
|
|||||||
|
М и к р о т р е щ и н о о б р а з о в а н и е |
в |
структуре — одно |
из |
||||||||||
в а ж н е й ш и х |
свойств |
бетона. |
Этой |
теме |
посвящен |
р я д |
||||||||
работ. В их |
числе п р е ж д е |
всего следует |
отметить |
иссле |
||||||||||
дования, |
выполненные в |
Корнельском университете |
||||||||||||
( С Ш А ) . И з у ч а я |
ш л и ф ы образцов |
бетона |
под |
микроско |
||||||||||
пом и используя |
рентгеноструктурный |
а н а л и з , |
Т. Сю и |
|||||||||||
Ф. Слейт [165] пришли к выводу, |
что |
в |
структуре |
бето |
||||||||||
на |
имеют |
место |
три |
типа |
микротрещин: |
т р е щ и н ы |
м е ж |
|||||||
ду |
заполнителем |
и цементным к а м н е м |
(трещины |
сцеп |
||||||||||
л е н и я ) , трещины, |
проходящие |
через раствор |
( м а т р и ц у ) , |
|||||||||||
и |
трещины |
|
в заполнителе . |
О к а з а л о с ь , |
что |
|
последних |
|||||||
м а л о д а ж е |
|
перед |
р а з р у ш е н и е м и они |
почти |
не |
оказывав |
||||||||
ют влияния на прочность системы. Вместе с тем |
разру |
|||||||||||||
шение заполнителя |
в о з м о ж н о |
от |
среза, |
но |
после |
обра |
зования сети других трещин . В работе показано, что трещины сцепления существуют и в ненагруженном. бе
тоне. Н а |
восходящей |
и нисходящей ветвях |
кривой «на |
|
п р я ж е н и е — д е ф о р м а ц и я » они |
. возрастают |
по длине', |
||
ширине |
и количеству. |
С а м о |
м и к р о т р е щ и н о о б р а з о в а н и е |
Зак. 376 |
33 |
н а ч и н а е т ся при нагрузках, |
с о с т а в л я ю щ и х 25—50% от |
||||||
предельной . З а м е ч е н о , что |
первые т р е щ и н ы образуют |
||||||
ся вокруг более крупного заполнителя . Т р е щ и н ы |
в р а с |
||||||
творе |
начинают |
интенсивно |
р а з в и в а т ь с я |
при н а г р у з к а х , |
|||
с о с т а в л я ю щ и х |
70—90% от |
предельной, |
при |
этом |
про |
||
исходит увеличение |
объема |
бетона. Это явление |
отмеча |
||||
ется т а к ж е в р а б о т а х О. Я- |
Берга, А. Е. Д е с о в а [22, 42, |
||||||
163]. |
Установлено |
т а к ж е , |
что с у м м а р н а я |
п р о т я ж е н |
|||
ность |
трещин в растворной |
части бетона |
значительно |
меньше, чем протяженность трещин сцепления дл я всех
стадий |
н а г р у ж е н и я |
о б р а з ц а . |
|
А в т о р а м и |
приводятся |
не |
||||||||||||||||
которые |
д а н н ы е о |
соотношении |
прочности |
цементного |
||||||||||||||||||
к а м н я , бетона и раствора, а именно цементный |
к а м е н ь |
|||||||||||||||||||||
при кратковременных испытаниях п о к а з ы в а е т |
|
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 |
||||||||||||||||||||
ей, |
а |
|
прочность |
его |
составляет |
~ 1 3 0 % , |
прочность |
це |
||||||||||||||
ментного |
р а с т в о р а — |
120% |
от прочности |
бетона. |
|
|
|
|||||||||||||||
|
Р е з у л ь т а т ы |
исследований |
|
свидетельствуют |
|
о |
том, |
|||||||||||||||
что |
на |
определенном |
этапе |
н а г р у ж е н и я |
трещины |
сцеп |
||||||||||||||||
ления |
|
стабилизируются |
и |
н а п р я ж е н и я |
перераспределя |
|||||||||||||||||
ются на растворную |
часть |
бетона. П р и д а л ь н е й ш е м |
уве |
|||||||||||||||||||
личении |
нагрузки |
внутренние |
н а п р я ж е н и я и |
|
д е ф о р м а |
|||||||||||||||||
ции |
начинают в о з р а с т а т ь |
скорее, чем в н е ш н я я |
нагруз |
|||||||||||||||||||
ка, что в конечном счете приводит к полному |
р а з р у ш е |
|||||||||||||||||||||
нию структуры . Авторы |
о б р а щ а ю т |
в н и м а н и е |
|
на |
|
гиб |
||||||||||||||||
кость структуры бетона, которая до определенного |
эта |
|||||||||||||||||||||
па |
н а г р у ж е н и я |
перераспределяет |
пики |
н а п р я ж е н и й |
и |
|||||||||||||||||
д е ф о р м а ц и й , |
не |
теряя при |
этом |
способности |
|
восприни |
||||||||||||||||
м а т ь |
внешнюю |
нагрузку . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
К |
этому |
|
ж е |
циклу работ |
п р и н а д л е ж а т |
исследования |
|||||||||||||||
[138], |
|
в |
которых |
р а с с м а т р и в а е т с я |
вопрос |
о |
|
прочности |
||||||||||||||
сцепления |
м е ж д у |
заполнителем |
и |
цементным |
|
к а м н е м |
||||||||||||||||
или раствором . Установлено, что прочность |
|
сцепления |
||||||||||||||||||||
на |
р а с т я ж е н и е |
значительно |
меньше, чем |
прочность |
на |
|||||||||||||||||
р а с т я ж е н и е |
|
цементного |
к а м н я |
или |
раствора |
и |
зависит |
|||||||||||||||
от вида и текстуры поверхности |
заполнителя |
и В / Ц . |
||||||||||||||||||||
Прочность |
сцепления |
является |
наиболее |
с л а б ы м |
|
звеном |
||||||||||||||||
в структуре |
бетона. |
Величина |
этой |
характеристики |
ко |
|||||||||||||||||
л е б л е т с я |
в п р е д е л а х |
0,5-=-0,66 от прочности на |
р а с т я ж е |
|||||||||||||||||||
ние |
цементного |
к а м н я . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
В работе |
[144] |
исследовались |
д е ф о р м а ц и и |
и |
|
напря |
||||||||||||||||
ж е н и я |
|
в |
бетоне |
в |
период |
н а ч а л а |
т р е щ и н о о б р а з о в а н и я |
|||||||||||||||
и перед |
разрушением . О п ы т ы |
проводились |
на |
бетонных |
34
о б р а з ц а х ; д е ф о р м а ц и и |
в |
х а р а к т е р н ы х |
зонах |
измеря |
||||
лись датчиками сопротивления. |
Установлено, |
что |
р а с |
|||||
т я г и в а ю щ и е |
н а п р я ж е н и я |
и д е ф о р м а ц и и , |
предшествую |
|||||
щие трещинообразованию, зависят от о б ъ е м а |
крупного |
|||||||
заполнителя . Чем он |
больше, тем выше |
величина |
нап |
|||||
р я ж е н и й и |
д е ф о р м а ц и й . |
В ы с к а з ы в а е т с я |
|
предположение |
||||
о том, что при длительном действии нагрузки |
при |
осе |
||||||
вом с ж а т и и |
р а з р у ш е н и е |
бетона |
м о ж е т |
произойти |
при |
|||
н а п р я ж е н и я х , соответствующих |
н а ч а л у |
процесса микро- |
||||||
т р е щ и н о о б р а з о в а н и я . |
Следовательно, к а к |
только |
на |
грузка превысит этот предел, полное разрушение стано
вится л и ш ь |
вопросом времени. Это предположение |
под |
||
т в е р ж д а е т с я и |
опытами Пробста, |
Л и п а т о в а , Берга . |
Они |
|
показали, |
что |
прочность бетона |
при циклической |
на |
грузке определяется его пределом упругости, т. е. на
ходится в пределах до |
. В |
работе |
у к а з ы в а е т с я , что |
критическое состояние |
бетона |
м о ж е т |
"быть в ы р а ж е н о |
через энергию освобождения д е ф о р м а ц и й при трещино -
образовании . Автор |
считает весьма эффективной мето |
||||
дику исследования |
структуры |
бетона, |
основанную |
на |
|
изучении внутреннего поля концентраций |
н а п р я ж е н и й |
||||
поляризационно - оптическим методом. |
|
|
|
||
Исследованию процесса |
м и к р о т р е щ и н о о б р а з о в а н и я |
||||
в структуре бетона |
посвящена |
работа |
Ф. |
Слейта |
и |
С. Ольшевского [165]. Особенностью проведенных ими исследований явилось применение в качестве экспери ментального а п п а р а т а рентгенографического метода. Рентгенографии подвергались тонкие срезы бетона опытных образцов до и после нагружения . В срезах не-
нагруженного |
бетона трещины о б н а р у ж е н ы |
п р е ж д е все |
го на границе |
р а з д е л а цементного к а м н я и |
заполнителя |
(трещины сцепления), причем преимущественно на кон
такте |
с заполнителем |
большей крупности. |
После нагру |
ж е н и я |
эти трещины |
увеличиваются, затем |
появляются |
трещины в цементном камне, которые объединяются в
общую сеть с контактными . П а |
рентгенограммах отме |
чено, что наибольшее количество |
воздушных включений |
концентрируется у поверхности крупного заполнителя . Трещины в цементном камне проходят, как правило, че
рез линии пор, т. е. через наиболее слабые места |
струк |
туры. В цементном камне трещины возникают |
п р е ж д е |
всего м е ж д у р а с п о л о ж е н н ы м и вплотную заполнителями, о б р а з у я минимальную длину.
3' |
35 |
|
О с н о в н ые положения о закономерностях |
р а з р у ш е |
||||||||||||||
ния |
гетерогенной |
структуры |
бетона |
были |
|
дополнены |
||||||||||
м а т е р и а л о м |
дискуссии |
[117, |
121], главнейшие моменты |
|||||||||||||
которой |
м о ж н о с ф о р м у л и р о в а т ь |
следующим |
о б р а з о м . |
|||||||||||||
|
Прочность сцепления системы «цементный камень —- |
|||||||||||||||
заполнитель» уменьшается с увеличением В / Ц ; |
вибра |
|||||||||||||||
ция способствует увеличению сцепления почти |
в |
2 р а з а ; |
||||||||||||||
сцепление чистой |
окатанной |
поверхности |
(гравий) |
на |
||||||||||||
10% |
выше, |
чем у |
натурально - изломанной |
(в |
последней |
|||||||||||
существуют |
естественные |
отколы |
на |
поверхности) ; |
от |
|||||||||||
ношение |
прочности |
сцепления |
к |
прочности цементного |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
1 |
|
к а м н я |
в |
ряде случаев может |
достигать значении |
1,06 |
=- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-: |
-— |
(К. Александер |
и |
д р . ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1,21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
отличие от |
бетона |
к р и в а я |
« н а п р я ж е н и е |
— д е ф о р |
||||||||||
м а ц и я » |
цементного |
камня не |
имеет |
нисходящей |
ветви |
|||||||||||
( р а з р у ш е н и е |
х р у п к о е ) ; |
|
объем |
бетона |
уменьшается |
|||||||||||
вплоть до критических |
н а п р я ж е н и й , |
затем |
увеличивает |
|||||||||||||
ся |
(интенсивное т р е щ и н о о б р а з о в а н и е ) , в то |
время |
к а к |
|||||||||||||
объем цементного к а м н я уменьшается вплоть |
до |
полно |
||||||||||||||
го |
р а з р у ш е н и я образца |
(Д . |
Б р о к ) . |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Присутствие песка увеличивает прочность на первой |
|||||||||||||||
стадии н а г р у ж е н и я , |
з а д е р ж и в а е т |
развитие |
трещин |
и |
||||||||||||
скорость |
их |
распространения, |
п р е д о т в р а щ а е т |
слияние |
||||||||||||
их в одну трещину, этим самым |
з а м е д л я я |
процесс |
раз |
|||||||||||||
рушения |
в целом, |
|
ослабление |
|
м а т е р и а л а |
|
вследствие |
низкой прочности сцепления компенсируется при низких концентрациях песка его а р м и р у ю щ и м и свойствами; при больших концентрациях песка происходит увеличе
ние |
п л о щ а д и поверхностей сцепления, и на определен |
|||
ной |
стадии |
н а г р у ж е н и я |
«армирующее» свойство песка |
|
не |
способно компенсировать это ослабление; д л я бето |
|||
нов |
возрастание с о д е р ж а н и я |
заполнителя способствует |
||
в о з р а с т а н и ю |
прочности |
л и ш ь |
до определенного предела, |
за которым н а б л ю д а е |
т с я обратный эффект, однако этот |
||||||
предел |
х а р а к т е р и з у е т |
только |
прочность, |
жесткость |
ж е |
||
и плотность бетона п |
р о д о л ж а ю т повышаться |
[142]. |
|
||||
Прочность бетона |
при р а с т я ж е н и и |
зависит |
в основ |
||||
ном от |
сил физического сцепления, |
а |
прочность |
при |
|||
с ж а т и и |
с в я з а н а с изменением |
отношения |
жесткости |
за |
|||
полнителя и матрицы |
[118]. |
|
|
|
|
|
36
М и к р о т р е щ и н о о б р а з о в а н и е |
целесообразно |
характе |
|||||
р и з о в а т ь |
кривыми, |
в ы р а ж а ю щ и м и |
изменение |
единицы |
|||
объема бетона в функции от |
д е ф о р м а ц и и ; |
прочность |
|||||
бетона |
на |
р а с т я ж е н и е — более в а ж н ы й показатель, чем |
|||||
прочность |
на с ж а т и е |
[121]. |
|
|
|
||
К одной из последних работ в области изучения про |
|||||||
цесса |
р а з р у ш е н и я |
структуры |
бетона |
относятся |
исследо |
||
в а н и я |
С. Ш а х а и |
С. Ч а н д р а |
[163]. |
В работе |
изучалось |
изменение объема и микротрещинообразование в зави
симости от критических н а п р я ж е н и й . Методикой |
опы |
||||||||||
тов предусматривалось |
изучение |
величин |
критических |
||||||||
н а п р я ж е н и й |
как |
функции |
свойств |
составляющих |
мате |
||||||
р и а л а : |
объемного |
с о д е р ж а н и я заполнителя, |
его крупно |
||||||||
сти, прочности сцепления системы «цементный |
к а м е н ь — |
||||||||||
заполнитель», вида |
породы |
заполнителя |
и |
т. |
д. |
Иссле |
|||||
д о в а н и я |
изменения |
о б ъ е м а |
цементного |
к а м н я |
и |
запол |
|||||
нителей |
под |
нагрузкой |
показали, |
что объем |
м а т е р и а л а |
заполнителя под действием нагрузки непрерывно умень шается и только перед р а з р у ш е н и е м н а б л ю д а е т с я его возрастание . Коэффициент П у а с с о н а непрерывно и мо
нотонно |
увеличивается . Д л я |
цементного |
к а м н я |
наблю |
||||||||||
дается |
аналогичная закономерность . |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Анализируя |
результаты |
испытания |
опытных |
образ |
|||||||||
цов |
из |
бетона |
и раствора, м о ж н о |
отметить |
с л е д у ю щ у ю |
|||||||||
х а р а к т е р н у ю закономерность . |
Когда |
о б р а з ц ы |
|
подвер |
||||||||||
гаются осевому с ж а т и ю , при определенных |
н а п р я ж е н и |
|||||||||||||
ях |
(о* — начальные) |
коэффициент |
Пуассона |
начинает |
||||||||||
непрерывно |
увеличиваться . П р и н а п р я ж е н и я х |
açR, |
назы |
|||||||||||
в а е м ы х критическими, объем |
бетона |
возрастает . |
В |
то |
||||||||||
ж е |
время полученная |
д л я |
бетонов |
закономерность |
не |
|||||||||
свойственна |
ни |
цементному |
|
камню, |
ни |
заполнителю . |
||||||||
Последний |
ведет себя |
почти |
линейно, |
а |
объем |
образцов |
из цементного к а м н я непрерывно уменьшается с увели чением нагрузки . Увеличение объемного с о д е р ж а н и я заполнителя приводит к увеличению неупругости рас
твора и бетона, т а к к а к ві |
и ocR |
уменьшаются |
по отно |
||||
шению к предельной прочности. То |
ж е |
происходит |
при |
||||
увеличении крупности заполнителя и снижении |
проч |
||||||
ности сцепления — возрастают объем о б р а з ц а |
и |
величи |
|||||
на коэффициента Пуассона . |
|
|
|
|
|
|
|
Неупругое поведение бетона |
(изменение |
объема |
и |
||||
коэффициента П у а с с о н а ) находит |
свое |
объяснение |
в |
||||
микротрещинообразовании . |
Н а ч а л о |
увеличения |
коэф- |
37
ф и ц и е н та Пуассона |
у к а з ы в а е т |
на |
н а ч а л о |
|
р а с к р ы т и я |
|||||
трещин сцепления, а |
|
отклонения объема |
от |
первона |
||||||
чального — на увеличение трещин |
в растворе . Вместе с |
|||||||||
тем при критических |
|
н а п р я ж е н и я х |
происходит измене |
|||||||
ние ф о р м ы кривой |
« н а п р я ж е н и е — д е ф о р м а ц и я » , |
что |
||||||||
свидетельствует о развитии непрерывных трещин . |
|
|||||||||
Следовательно, изменение объема |
м о ж е т |
с л у ж и т ь |
||||||||
индикатором д е ф о р м а т и в н о й способности и |
р а з р у ш е н и я |
|||||||||
бетона. П р и |
этом критические |
н а п р я ж е н и я |
х а р а к т е р и |
|||||||
зуют прочность при |
кратковременном, |
циклическом |
и |
|||||||
длительном |
|
н а г р у ж е н и я х и у к а з ы в а ю т |
на начало роста |
|||||||
«медленных» |
трещин . |
|
|
|
|
|
|
|
||
О б ъ е м информации о свойствах структуры бетона, |
||||||||||
полученный при исследовании реального м а т е р и а л а , |
по |
|||||||||
зволяет составить достаточно четкую качественную |
к а р |
|||||||||
тину 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 |
в |
условиях |
одноосного |
нагружения . |
|
|||||
Следует |
заметить, |
|
что решение |
задачи |
в |
количест |
||||
венном отношении в |
форме аналитического |
представле |
ния свойств структуры бетона встречает значительные
трудности. |
Д о с т и ж е н и я в |
этой |
области |
относятся |
п р е ж |
||||||||||
де |
всего к |
описанию |
д е ф о р м а т и в н о й |
способности |
бето |
||||||||||
на |
до границы R?. |
|
Подробный а н а л и з |
этих |
исследова |
||||||||||
ний |
дан в |
р а б о т а х |
[32, 132, |
137]. |
|
|
|
|
|
||||||
|
В |
работе |
[119] с д е л а н а |
попытка |
р а с к р ы т ь |
физико - |
|||||||||
механическое |
с о д е р ж а н и е |
р а з р у ш е н и я |
|
структуры |
бето |
||||||||||
на на основе модели в виде статически |
неопределимой |
||||||||||||||
стержневой |
системы. |
Принципиальные |
положения |
ра |
|||||||||||
боты |
строятся |
на |
допущении, |
что |
бетон |
является |
двух |
||||||||
ф а з н ы м м а т е р и а л о м , |
в котором |
«мягкий» раствор, об |
|||||||||||||
в о л а к и в а ю щ и й |
заполнитель, |
|
распределен |
равномерно |
|||||||||||
в |
объеме м а т е р и а л а . |
Н а |
этом |
предположении |
построе |
на физическая композиционная модель «элемента»
структуры, состоящего из |
зерен |
заполнителя и раствора . |
|
З а п о л н и т е л ь принят сферической |
ф о р м ы и |
расположен з |
|
узловых точках тетраэдра |
(рис. |
6, а). П р и |
действии рас |
пределенной нагрузки результирующие н а п р я ж е н и я (в
однородном |
м а т е р и а л е графически |
могут быть |
пред |
||||||
ставлены как |
прямые |
линии) |
огибают |
« к а р м а н ы » |
рас |
||||
твора |
(рис. 6, б). |
Н о р м а л ь н о |
к ним |
действуют |
растяги |
||||
в а ю щ и е н а п р я ж е н и я . |
Эти н а п р я ж е н и я |
автором |
перене |
||||||
сены |
на стержневую |
систему |
(рис. 6, в). |
Относительная |
|||||
жесткость дает те |
ж е |
значения упругих |
постоянных |
р. и |
38
Е, что и «элемент» бетона, на который действует |
та |
ж е |
|||||||||||||||||||
нагрузка в виде сосредоточенной силы. П р и |
|
п р и л о ж е |
|||||||||||||||||||
нии осевых |
н а п р я ж е н и й |
|
к |
«элементу» |
возникают |
дефор |
|||||||||||||||
м а ц и и р а с т я ж е н и я |
|
в |
«кармане» |
раствора |
в |
н а п р а в л е |
|||||||||||||||
нии, |
перпендикулярном |
|
с ж и м а ю щ и м |
н а п р я ж е н и я м ; |
• в |
||||||||||||||||
модели |
0] в ы з ы в а е т |
р а с т я ж е н и е |
в с т е р ж н я х |
AD |
и |
FC. |
|||||||||||||||
П р и увеличении нагрузки |
в результате |
д е ф о р м а ц и и |
рас |
||||||||||||||||||
т я ж е н и я |
в |
««кармане» |
|
раствора |
|
возникают |
|
трещины |
|||||||||||||
(рис. 6, а ) ; |
в д а л ь н е й ш е м |
они р а с п р о с т р а н я ю т с я |
вдоль |
||||||||||||||||||
конусной |
поверхности. У |
основания |
конуса |
|
развитие |
||||||||||||||||
трещин |
з а м е д л я е т с я |
из-за |
сцепления |
раствора |
с |
жест |
|||||||||||||||
ким заполнителем . С ростом |
нагрузки |
трещина |
огиба |
||||||||||||||||||
ет заполнитель |
на |
границе р а з д е л а , |
что |
в |
|
конечном |
|||||||||||||||
счете |
приводит |
к полному |
р а з р у ш е н и ю |
«элемента» . |
|
||||||||||||||||
В |
качестве |
критерия |
р а з р у ш е н и я |
автором |
принята |
||||||||||||||||
предельная |
д е ф о р м а ц и я |
|
\хсОсіЁс |
(ас |
— предельная |
проч |
|||||||||||||||
ность образцов при осевом нагружении, |
ц с — «мгновен |
||||||||||||||||||||
ный» коэффициент Пуассона, Ес |
— модуль |
д е ф о р м а ц и и |
|||||||||||||||||||
при |
р а з р у ш е н и и ) . |
М о д е л ь |
используется |
д л я |
установле |
||||||||||||||||
ния зависимостей м е ж д у |
OÙ 02', |
03 по |
типу |
феноменоло |
|||||||||||||||||
гических |
теорий |
прочности, |
но |
с |
учетом |
|
нарушения |
||||||||||||||
сплошности |
м а т е р и а л а |
|
матрицы . Установлено, |
что |
ана |
||||||||||||||||
литические |
зависимости |
согласуются |
с р е з у л ь т а т а м и |
||||||||||||||||||
опытов. |
|
Н а |
основании |
|
|
проведенного |
а н а л и з а |
автор |
|||||||||||||
приходит |
к выводу, |
|
что |
р,с |
не |
является |
константой мате |
||||||||||||||
р и а л а гетерогенной |
структуры . П р е д л а г а е т с я |
|
использо |
||||||||||||||||||
вать |
коэффициент |
Пуассона |
к а к |
характеристику |
стати |
||||||||||||||||
ческой |
неопределимости |
|
системы, |
поскольку |
ц.с — вели |
||||||||||||||||
чина |
переменная |
|
на |
|
|
всем |
протяжении |
|
н а г р у ж е н и я |
||||||||||||
о б р а з ц а . Подобным |
|
ж е |
образом |
м о ж е т |
трактоваться |
ве |
|||||||||||||||
личина |
модуля |
д е ф о р м а ц и й |
Ес. |
Очевидно |
т а к ж е , |
что |
|||||||||||||||
с л о ж и в ш и е с я представления |
о модуле |
упругости |
и |
ко |
|||||||||||||||||
эффициенте |
Пуассона |
относительно |
элемента |
|
бетона |
теряют свой первоначальный смысл. Величина этих па
раметров будет зависеть |
от свойств с о с т а в л я ю щ и х |
и |
тре- |
|||
щ и н о о б р а з о в а н и я в них |
и |
от скорости развития |
трещин |
|||
и пластического д е ф о р м и р о в а н и я |
раствора . |
|
|
|
||
Р а б о т а А. Б а к е р а по |
|
существу |
является |
одной |
из |
|
первых работ, в которых |
с д е л а н а |
попытка |
представить |
структуру бетона к а к статическую неопределимую сис тему и раскрыть неопределимость этой системы на ос нове идеализированной модели в виде стержневой сис темы с переменными п а р а м е т р а м и стержней .
39