Экспериментальное определение параметров механики разрушения высокопрочных бетонов

строительные материалы и конструкции

Экспериментальное определение параметров механики разрушения высокопрочных бетонов

Н.И. Карпенко, Ю.В. Зайцев, Г.Э. Окольникова, A.A. Андрианов, A.B. Погосян

1. Состояние вопроса. Анализируя тенденции развития современного строительства в зарубежных странах можно заметить, что они все в большей степени увязываются с развитием бетонов на основе новых технологий (нетрадиционных бетонов). Исследователи выделяют фактор долговременного экономического эффекта от применения нетрадиционных бетонов в конструкциях, который обуславливается не только их повышенной прочностью, но и высокими эксплуатационными свойствами: морозостойкостью, стойкостью против коррозии, высокой маркой по водонепроницаемости и др. Кроме этого такие бетоны обладают повышенной удо-боукладываемостью бетонной смеси. На Западе для таких бетонов введен специальный термин «High Performance Concrete» — высококачественный бетон. Некоторые новые технологии производства высококачественного бетона найдены в России. Среди них можно выделить производство бетонов с применением полифункциональных модификаторов серий МБ порошкообразных материалов на орган-но-минеральной основе.

Классическая механика разрушения применительно к условно однородным материалам берет начало от А.Гриффитса, в последствии развивалась такими учеными как Дж.Ирвин, Л.И. Седов, М.Я. Леонов, В.В. Панасюк, В.З. Партон, Е.М. Морозов, Г.П. Черепанов, В.В. Болотин и др. Для бетона, являющегося существенно неоднородным материалом применимость методов классической механики разрушения является весьма затруднительной.

Исследования в области механики разрушения бетона берут начало от исследований М.Каплана и впоследствии развивались в нашей стране и за рубежом такими учеными как В.М. Бондаренко, Н.И. Карпенко, Ю.В. Зайцевым, Ф.Виттманом, А.Петерсо-ном, А.Хиллерборгом, З.Бажантом и др.

Указанные исследования в области бетона ограничивались бетонами обычной прочности и практически не затрагивали бетонов высокой прочности [1]. Вместе с тем, разрушение высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов имеет свои особенности, связанные с параметрами механики разрушения отдельных компонентов структуры бетона (заполнитель, матрица, контактная зона между за-

полнителем и матрицей). Согласно предлагаемой нами гипотезе, процесс разрушения при сжатии высокопрочного бетона начинается не с развития наклонных сдвиговых трещин (тип II), как в обычном бетоне, а с развития отрывных трещин, параллельных направлению сжатия (тип I). В процессе предполагаемых исследований намечена экспериментальная проверка указанной гипотезы.

При этом разрушение высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов носит значительно более хрупкий, почти взрывоподобный характер [2]. Все эти особенности разрушения высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов весьма существенны, но практически никем не исследовались ни в нашей стране, ни за рубежом.

Высокопрочные и сверхвысокопрочные бетоны являются новыми материалами и для них еще не определены все основные физико-механические характеристики и, тем более, никем не установлена корреляционная связь между этими характеристиками и параметрами механики разрушения. Указанные вопросы также предполагается исследовать в данной работе.

2. Задача исследования. В рамках данной работы в качестве основного исследуемого материала выбран высокопрочный бетон, имеющий прочность на сжатие 90 МПа и выше, который находит все большее применение в современном строительстве. Чисто эмпирический путь поиска новых составов бетона, позволяющий повысить его прочность, весьма трудоемок и не всегда приводит к цели. Еще труднее чисто эмпирическим путем подойти к решению актуальнейшей задачи современной науки о материалах, прогнозированию механических характеристик материала и созданию материала с заранее заданными (в некоторых пределах) свойствами.

Вместе с тем, большие возможности в области улучшения механических свойств бетона открывает использование деформируемого тела. Основная задача механики разрушения заключается в изучении поведения конструкционных материалов с трещиной (или системой трещин) при различных условиях нагружения. Этот подход оправдан тем фактом, что трещины или трещиноподобные дефекты методов современной, быстро развивающейся отрас-

строительные материалы и конструкции

ли науки — механики разрушения. Не меньше и значение механики разрушения для повышения прочности и долговечности других строительных материалов, строительных конструкций различного вида. Механику разрушения обычно определяют как раздел механики твердого различного происхождения имеются практически в любом материале.

По характеру развития процесса разрушения различают устойчивое продвижение трещин, которое происходит постепенно по мере увеличения нагрузок или продолжительности их воздействия, и их неустойчивый рост, не связанный с повышением нагрузок и обычно приводящий к мгновенному исчерпанию несущей способности конструкций или их элементов.

3. Предлагаемые методы и подходы. Исследования включали несколько этапов.

1. Изготовление опытных образцов из высокопрочного бетона для определения параметров механики разрушения в виде балочек квадратного сечения с надрезом (в форму была вставлена пластина).

Состав бетона:

— портландцемент марки 500 = 490 кг/м3;

— модификатор бетона МБ = 110 кг/м3;

— минеральный порошок, улучшающий свойства бетона МП-1 = 40 кг/м3;

— песок (Мкр (модуль крупности) = 2,7) = 880 кг/м3;

— щебень гранитный фракции 5-10 мм = 730 кг/м3;

— вода = 140 кг/м3.

2. Проведение экспериментальных исследований опытных образцов в возрасте 7, 14, 28, 60 по определению параметров механики разрушения —

критических коэффициентов интенсивности напряжений (вязкости разрушения) и критической интенсивности высвобождения энергии для высокопрочных бетонов.

3. Определение физико-механических характеристик высокопрочных бетонов экспериментальным путем и составление корреляционной связи с параметрами механики разрушения.

4. Результаты испытаний. Для определения физико-механических характеристик высокопрочных бетонов и параметров механики разрушения были изготовлены и испытаны следующие виды опытных образцов:

4.1. Опытные образцы в виде кубов размером 10x10x10 см. В результате испытаний были определены кубиковая прочность при осевом сжатии и класс бетона на осевое сжатие. Кубы испытывались в возрасте 7, 14, 28, 60 суток. Результаты испытаний даны в таблице 1.

4.2. Опытные образцы в виде призм квадратного поперечного сечения 10x10 см длиной 45 см для испытания на изгиб.

В результате испытаний были определены прочность на растяжение при изгибе, прочность на осевое растяжение, момент трещинообразования. Результаты испытаний даны в таблице 2.

4.3. Опытные образцы в виде призмы и надрезом глубиной 2,5 см квадратного поперечного сечения 10x10 см и длиной 40 см для испытания на изгиб.

В результате испытаний были определены прочность на растяжение при изгибе, прочность на осе-

Возраст, сут Номер образца Вес, г Разрушающая нагрузка, кН Объемный вес, кг/м3 Прочность, МПа а, табл. 5 [3] R*a, МПа Средняя прочность в серии, МПа Фактический класс бетона

1 2419,5 781 2419,5 78,1 0,95 74,2

7 2 2378,5 784 2378,5 78,4 0,95 74,5 74,3 59

3 2392,5 694 2392,5 69,4 0,95 65,9

1 2399 900 2399 90,0 0,95 85,5

14 2 2406 941 2406 94,1 0,95 89,4 91,0 73

3 2385 974 2385 97,4 0,95 92,5

1 2394 1098 2394 109,8 0,95 104,3

28 2 2410 1084 2410 108,4 0,95 103,0 103,6 83

3 2421 1081 2421 108,1 0,95 102,7

1 2394 1153 2394 115,3 0,95 109,5

60 2 2414 1071 2414 107,1 0,95 101,7 107,7 86

3 2395 1114 2395 111,4 0,95 105,8

Таблица 1. Результат испытаний кубов на сжатие со стороной ребра 10 см

554 3 2010

строительные материалы и конструкции

Возраст, сут Номер образца Вес, г Разрушающая нагрузка, кН Объемный вес, кг/м3 Прочность на растяжение при изгибе, МПа Прочность на осевое растяжение, МПа Момент трещнообразования, Н-м Средняя прочность на растяжение при изгибе, МПа

1 10835 25,5 2407,8 7,65 4,37 1248, 6

7 2 10838,5 24,6 2408,6 7,38 4,22 1205, 7 7,54

3 10940 25,3 2431,1 7,59 4,34 124, 0

1 10873 22,6 2416,2 6,78 3,87 1105, 7

14 2 10810 21,5 2402,2 6,45 3,69 1054, 3 6,87

3 10936 24,6 2430,2 7,38 4,22 1205, 7

1 10979 27 2439,8 8,1 4,63 1322, 9

28 2 10880 26,3 2417,8 7,9 4,51 1288, 6 7,7

3 10823 23,9 2405,1 7,2 4,11 1174, 3

1 10873 28 2416,2 8,4 4,8 1371, 4

60 2 10947 28,8 2432,7 8,6 4,91 1402, 9 8,3

3 10887 26,8 2419,3 8 4,57 1305, 7

Таблица 2. Результаты испытаний на изгиб призм с поперечным сечением 10x10 см длиной 45 см

Рисунок 1. Общий вид бетонных образцов в виде призм с надрезом и поперечным сечением 10x10 см длиной 40 см для испытаний на изгиб

вое растяжение, момент трещинообразования, критический коэффициент интенсивности напряжений. Общий вид образцов до испытания и после представлен на рисунках 1, 2, 3. Результаты испытания даны в таблице 3.

4.4. Опытные образцы в виде призм с прямоугольным поперечным сечением 10x7,5 см и длиной 40 см для испытания на изгиб.

В результате испытаний были определены проч-

ность на растяжение при изгибе, прочность на осевое растяжение, момент трещинообразования. Результаты испытания даны в таблице 4.

Все испытания проводились в лаборатории НИИСФ на гидравлическом прессе производства фирмы Zwick/Roell модель Tony Technik 2070: максимальное усилие при испытании на сжатие 5000 кН; максимальное усилие при испытании на изгиб 200 кН, класс точности 1. Все испытания проводились в возрасте 7, 14, 28, 60 суток.

Рисунок 2. Характер разрушения бетонной призмы квадратного сечения с надрезом

I

-I

а

м

(л п

г

]Э

о юз

о о

14)

оо

VI 4^.

1Л

-О О

00 ю

о о о

1л)

N0

и! -о м

а-

Л».

00 1Л

N0

и!

оо 1о

ю и)

оо

ю и» 00 00

о

ю и»

•чО

о

45».

о о

VI 4^-

о

•о

о

VI

00

1л

о о

00 0П

оо

VI

00 VI

00 VI

VI

о

оп

о 00 00

о

VI 00

о о

о

оо

чэ

о-и! о

о

V

о

о

00

о оп

VI

VI

Оч ю

4^

00 ю

о

VI

ь.

о

оп

ю

о

о

ю

-о 00 00

оп о

00 о

о 00

955

Возраст, сут

Номер образца

Вес, г

Разрушающая нагрузка, кН

Объемный вес, кг/м3

Прочность на растяжение при изгибе, МПа

Прочность на осевое растяжение, МПа

Момент

трещинообразования, Н-м

Критический коэффициент

интенсивности ± напряжений, МПа-м2

Критическая скорость высвобожденной энергии, ^ м

Средняя прочность на растяжение при изгибе, МПа

ИИП>|Лс|1ЭНО>1 и 1ЯУеис1э1е\л/ э1яняуэхиос11э

ИИЛУН 31ЯНЯУЭ1ИОс11Э

строительные материалы и конструкции

Таблица 4. Результаты испытаний на изгиб призм с поперечным сечением 10x7,5 см (ЬхН) длиной 40 см

Рисунок 3. Поперечное сечение бетонной призмы с надрезом квадратного сечения после испытания на изгиб в опасном сечении

Кубиковая прочность определялась в соответствии с [3] по следующей формуле:

Р

К = а —, А

где а — масштабный коэффициент для приведения прочности бетона в испытанном образце к прочности бетона в образце базового размера; Р — раз-

рушающее усилие; А — площадь опорной поверхности образца.

Класс бетона на осевое сжатие определялся в соответствии с [4] по формуле:

Вф=0,8Кт,

где Вф — приближенной значение фактического класса прочности бетона; — средняя фактическая прочность бетона по данным испытаний.

Прочность на растяжение при изгибе определялась в соответствии с [3] по формуле:

*ы< = 8

Р-/

а-Ь

2 "

Прочность на осевое растяжение: «Ы

1,75

Момент трещинообразования:

м = Я

ы

Ы/ 3,5

Критический коэффициент интенсивности напря-

строительные материалы и конструкции

К1с=опс4^У(Х);

Y

(1-Я.)2 4к

= [1,99-2,47^ + 12,97А2-- 23,17А,3 + 24,80А.4],

У(Х)— поправочный полином, учитывающий конечность размеров образца X = !/Ь, I — длина надреза, Ь — высота образца.

Критическая скорость высвобождения энергии:

К/с

5. Заключение. В данной работе исследованы высокопрочные крупнозернистые бетоны, которые остаются пока основным конструкционным строительным материалом. Дальнейшее развитие исследований должно происходить по пути получения высокопрочных бетонов других модификаций — мелкозернистых без применения крупного заполнителя, легких с заполнителями из техногенных отходов. Особенно перспективным являются мелкозернистые композиции, в которых вместо дефицитного крупного заполнителя требуемого качества, применяется кварцевый песок, ресурсы которого не ограничены.

Здесь можно поставить две задачи — разработка важных для практики высокопрочных композиций прочностью до 100—120 МПа и разработка специальных сверхпрочных композиций (прочностью на сжатие 150—250 МПа). Существуют не до конца решенные вопросы технологии производства таких бетонов, кроме того, практически отсутствует (в том числе за рубежом) информация об их деформационных характеристиках.

Представляют также большой интерес высокопрочные легкие композиции, позволяющие значительно снизить массу зданий. Программа указанных перспективных исследований выходит за рамки данного проекта. Перспективы применения уже исследованных композиций весьма велики. Они нашли уже реальное применение при строительстве высотных зданий Международного делового центра «Москва-Сити». Фактически без таких бетонов невозможны рациональные конструктивные решения новых высотных зданий и защитных сооружений. Также отметим, что и при строительстве обычных зданий они позволяют уменьшить их массу до 20%.Глав-ным направлением проекта является разработка теории прочности высокопрочных бетонов с исполь-

558

зованием методов механики разрушения и создание нормативной базы для проектирования конструкций и сооружений из высокопрочного бетона.

Литература

1. Зайцев Ю.В., Окольникова Г.Э., Доркин В.В. Механика разрушения для строителей: Электронный мультимедийный учебник. М.: Изд-во МГОУ, 2007. 215 с.

2. Зайцев Ю.В., Шнайдер У. Ультравысокопрочные бетоны (иНРС). Механика разрушения: Сб. науч. статей. М.: Изд-во МГОУ, 2008. С. 11-24.

3. ГОСТ 10180 «Бетоны: Методы определения прочности по контрольным образцам».

4. ГОСТ 53231-2008 «Бетоны: Правила контроля и оценки прочности».

Экспериментальное определение параметров механики разрушения высокопрочных бетонов

Проект предусматривал в качестве главной задачи — определение параметров механики разрушения и физико-механических свойств высокопрочных бетонов, моделирование их разрушения при различных режимах нагружения. Эта задача входит в Ведомственную целевую программу Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН).

Development of theoretical base and evaluation of fracture mechanics parameters for high-strength concretes by N.Karpenko, Yu.Zaytsev, G. Okolnikova, A.Andrianov, A.Pogosian

The main task which the project provided for is the definition of parameters of fracture mechanics and physicomechanical properties of high-strength concrete, modeling of their destruction at various modes of stressing. This problem is included into the Departmental target program of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences.

Ключевые слова: механика разрушения бетона, высокопрочный бетон, теории прочности и деформаций, трещины, ползучесть, параметры механики разрушения, критический коэффициент интенсивности напряжений, критическая скорость высвобождения энергии, класс бетона, эксперимент.

Keywords: месЬапкз of destruction of concrete, high-strength concrete, the theory of durability and deformations, cracks, creep, fracture mechanics parameters, critical factor of intensity of pressure, critical speed of liberation of energy, a concrete class, experiment.

2010

3