Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования. 4
1.1. Физическая теория прочности бетона. 4
1.2. Концепция разрушения бетона при сжатии . 7
1.3. Разрушение бетона при сложном напряженном состоянии. 15
1.4. Прочность бетона при длительно действующей и многократно повторной нагрузках . 18
1.5. Цели исследования. 22
Глава II. Экспериментальные образцы и методика их исследования. 24
2.1. Образцы для экспериментальных исследований. 24
2.2. Оборудование для испытаний образцов. 27
2.3. Методика экспериментальных исследований . 31
Глава III. Результаты испытаний статической нагрузкой. 35
3.1. Испытание призм на центральное сжатие. 35
3.2. Испытание балок статической нагрузкой. 50
3.3 Качественная оценка напряженного состояния от усадки цементного камня 56
Глава IV. Результаты исследований многократно повторной и длительнодействующей нагрузками . 62
4.1. Испытание призм многократно повторной нагрузкой. 62
4.2. Аналитическое определение предела выносливости сжатого бетона. 76
4.3. Результаты испытаний балок многократно повторной нагрузкой. 85
4.4 Испытание бетонных призм длительно действующей нагрузкой. 90
Глава V. Практические предложения по результатам исследований . 111
5.1. Корректировка расчетных характеристик бетона. 111
5.2. Совершенствование расчета изгибаемых конструкций на выносливость. 113
Выводы 115
Список литературы 118
Приложение 128
Оглавление 129
- Концепция разрушения бетона при сжатии
- Прочность бетона при длительно действующей и многократно повторной нагрузках
- Методика экспериментальных исследований
- Качественная оценка напряженного состояния от усадки цементного камня
Введение к работе
Железобетон на протяжении последнего столетия является одним из основных строительных материалов в мире. Большинство несущих конструкций зданий и сооружений в России выполнены из "тяжелого" железобетона. Массовое применение этого строительного материала привело к тому, что появилось большое количество ученых, изучавших технологию изготовления конструкций, разрабатывающих методы их расчета при различных силовых и иных воздействиях, исследующих поведение материала во времени. Было выявлено, что в процессе эксплуатации железобетонных конструкций меняются прочностные и деформационные свойства материала. Причем эти изменения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на надежность зданий и сооружений. На происходящие изменения в материале влияют многочисленные факторы, в том числе реологические его свойства, интенсивность и характер силовых воздействий, параметры эксплуатационной среды. Без понимания физических процессов, происходящих в бетоне при силовых воздействиях трудно обеспечить сохранение необходимой надежности конструкций во времени. Поэтому изучение физических процессов разрушения бетона имеет актуальное значение.
В диссертации изложена концепция деструктивных изменений в бетоне под воздействием различных по характеру силовых факторов. Бетон рассматривается как конгломерат, состоящий из объединенных цементным раствором частиц различной жесткости.
В основу представлений о происходящих в бетоне процессах разрушения под воздействием силовой нагрузки положена теория микроразрушений, разработанная в СССР в середине прошлого столетия под руководством О.Я.Берга.
Высказанные положения подтверждаются результатами многочисленных экспериментальных исследований как автора диссертации, так и опубликованных в печати.
Экспериментальные исследования бетонных образцов - призм -однократной статической многократно-повторной и длительно-действующей нагрузками, а также изгибаемых элементов - однократной и многократно-повторной нагрузками позволили установить условия упрочнения и разупрочнения материала, прогнозировать его поведение во времени.
Полученные данные позволили разработать предложения об уточнении нормативных значений сопротивления бетона при различных силовых воздействиях применительно к существующим методам расчета железобетонных конструкций.
Автор работы благодарит сотрудников кафедры строительных конструкций МИКХиС за помощь, оказанную ему в проведении экспериментальных исследований.
Особую благодарность автор приносит руководителям фирмы "Стандарт-строй-инвест", взявшим на себя расходы по проведению экспериментальных исследований.
Работа выполнена под научным руководством профессора, доктора технических наук Хромца Ю.Н.
Концепция разрушения бетона при сжатии
Многочисленные работы, в которых исследуются вопросы прочности и деформативности бетона и железобетонных конструкций, рассматривают бетон как однородный анизотропный материал с резкоразличными показателями прочности при сжатии и растяжении.
Теория расчета железобетонных конструкций является в настоящее время одним из наиболее разработанных разделов строительной науки. В современных математических моделях расчета учитываются реологические свойства бетона, его анизотропия, нелинейный характер деформирования, режимы нагружения конструкций. Большой вклад в разработку современной теории железобетона внесли работы А.Ф. Лолейта, А.А. Гвоздева, В.М. Бондаренко, В.И. Мурашова, Н.И. Карпенко, А.С. Залесова, СВ. Александровского, Ю.П. Гущи, С.А. Дмитриева, СМ. Крылова, Р.Л. Серых, А.В. Забегаева, А.П. Васильева, Г.И. Бердичевского, В.Н.Бойкова и др. [3, 22, 24, 26, 27, 29, 38, 41, 44, 48, 50, 52, 59, 66, 67, 79, 82, 87].
Однако в упомянутых исследованиях недостаточно учитываются деструктивные процессы, происходящие в бетоне под воздействием нагрузки. Между тем в середине прошлого столетия было обнаружено, что при одноосном сжатии по мере возрастания нагрузки объем образцов начинает увеличиваться, что противоречит законам деформирования сплошного тела [10, 13, 30, 91]. Основанием для такого заключения послужило изучение изменения коэффициента поперечной деформации: Обнаруженное явление послужило основанием для разработки
"Физических основ теории прочности бетона". Создателем этой теории был О.Я. Берг. Трудами этого ученого и основанной им научной школы было установлено, что при некоторой величине сжатия в бетоне возникают микротрещины, ориентированные вдоль оси действия сжимающей нагрузки. Величина сжимающего напряжения, соответствующего началу микроразрушений, получила название R.=f[Rn). Установлено, что в зависимости от прочности бетона величина R может составлять 0,2 -0,7 от призменной прочности R . В результате изучения поведения бетона при различных силовых воздействиях установлена связь между величиной R и пределом выносливости бетона и его длительной прочностью. Большой вклад в развитие физических основ прочности бетона внесли работы Е.Н. Щербакова, Н.В. Смирнова, Г.Н. Писанко, Ю.В. Зайцева, О.Н. Алпериной, Ю.Н. Хромца, Б.В. Викторова, А.А. Ашрабова, Е.А. Гузеева, В.В. Деркина, К.Л. Ковлера, С.Н. Леоновича, Л.К. Лукши, В.А. Пахомова, А.Б. Пирадова, Д.М. Сухиева, В.И. Левченко и др. [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,20,49, 70, 71,90,91, 96].
Обширные исследования позволили установить зависимость прочностных характеристик бетона от напряжения, определяющего начало микроразрушений. Было высказано предположение, что причиной микроразрушений является вторичное поле напряжений, возникающее от действия сжимающей нагрузки в силу неоднородности бетона, который состоит из крупного и мелкого заполнителей, связанных между собой затвердевшим цементным камнем. Последний представляет собой сложную структуру, состоящую из твердого скелета, гелиевых образующих и пор, заполненных водой, воздухом или водяным паром. Поскольку поле вторичных напряжений носит случайный характер, процесс разрушения бетона под нагрузкой предлагалось оценивать с позиций статистических теорий прочности [28, 31, 57, 81, 106]. Сопоставление различных силовых воздействий и их сочетания дали достаточно хорошее совпадение с результатами экспериментальных исследований [15]. Тем не менее, физическая природа вторичного поля напряжений в проведенных ранее исследованиях осталась без достаточного обоснования. Помимо физической теории прочности бетона в середине прошлого столетия развивались и теории, основанные на положениях физики твердого тела, энергетических оценках разрушения и др. [61]. Правомерность того или иного подхода к оценке прочности бетона может быть оценена лишь сопоставлением теоретических данных с соответствующими экспериментальными. Однако интенсивно проводившиеся в 50-80-е годы прошлого столетия исследования в начале 90-х годов практически прекратились.
Последние эксперименты, касающиеся определения значений критериальных характеристик бетона, соответствующих началу и развитию микроразрушений были проведены в начале 90-х годов прошлого столетия [99]. В этой работе было испытано значительное количество бетонных призм естественного твердения на центральное и внецентренное сжатие. Изучение результатов эксперимента показало отличие в ряде случаев от полученных ранее данных. Так, для ряда образцов, значение напряжений, соответствующих началу микроразрушений лишь незначительно отличалось от предела прочности материала. Нужно отметить, что и в некоторых опытах ЦНИИС встречались аномальные результаты, когда граница микроразрушений не увеличивалась с ростом прочности материала, а, наоборот, уменьшалась. Подобные аномальные явления, как правило, отмечались в бетонах, для приготовления которых использовались новые виды цемента. Отмеченные выше отклонения от стабильных экспериментальных данных не нашли соответствующего обоснования. Неисследованными остались и некоторые другие факторы. Так, не выяснено влияние условий твердения бетона на процесс микроразрушений, нет достаточного количества экспериментов для оценки процессов микроразрушений в растворах.
Прочность бетона при длительно действующей и многократно повторной нагрузках
Экспериментами установлено, что под действием длительно действующей нагрузки прочность бетона меняется во времени иначе, чем у бетона незагруженного [16]. Имеющая место зависимость графически представлена на рис. 1.5. По оси ординат на этом графике отложен предел прочности бетона после воздействия длительной нагрузки, а по оси абсцисс величина напряжения от длительной нагрузки, отнесенной к призменной прочности, имевшей место до приложения длительной нагрузки. Характерным является то, что при относительно небольшой длительной нагрузке, когда обеспечивается условие: Rt R Кр RnP под воздействием длительной нагрузки прочность бетона растет быстрее, чем у незагруженного. С позиций предлагаемой концепции разрушения бетона это можно объяснить тем, что количество микроразрывов в цементном камне при небольших нагрузках настолько мало, что они не влияют на прочность материала. В то же время пики растягивающих напряжений релаксируют за RT » ta i Ъ cfVRnpTtnp (Rnp" -начальная призменная прочность бетона) счет ползучести. Для бетонов, загруженных в раннем возрасте, следует ожидать более интенсивного увеличения прочности по сравнению с бетоном, рост прочности которого уже затухнул. Сказанное справедливо и для значений длительной нагрузки в интервале
Здесь у "молодого" бетона происходит не только релаксация растягивающих напряжений, но и "залечивание" появившихся в процессе нагружения разрывов в цементном камне в точках наибольших растягивающих напряжений за счет продолжающегося твердения цементного камня [75].
По мере возрастания отношения —— количество разрывов в цементом камне возрастает, увеличившийся объем материала не способствует их полному "залечиванию". Снижается и степень релаксации растягивающих напряжений, которые сохраняют достаточно большие значения. Начиная с некоторого уровня —— разрушающая бетон нагрузка становится ниже, чем для бетона до его длительного нагружения. И, наконец, при значениях ——, превышающих К некоторое критическое значение, разрушения структуры становятся настолько значительными, что процесс разрушения не стабилизируется и через определенное время приводит к разрушению бетона без увеличения длительно действующей нагрузки Rar
Воздействие многократно прилагаемой нагрузки на бетон наиболее хорошо изучен с позиций развития микротрещин [14, 17, 54]. В полулогарифмическом масштабе зависимость между пределом выносливости и числом циклов многократноповторяющейся нагрузки может быть представлена графиком, приведенным на рис. 1.6. За абсолютный предел выносливости принимается напряжение R. Это означает, что снижение напряжений ниже Rr не приведет к разрушению бетона при сколь угодно большом количестве
Зависимость относительного предела выносливости Re/Rnpот числа циклов повторной нагрузки, приведшей к разрушению циклов приложения нагрузки. Значения напряжений выше R приводит к образованию микроразрушений уже при первом загружении. Под воздействием многократных загружении эти разрывы продолжают развиваться и в конечном итоге приводят к исчерпанию несущей способности бетона. Чем больше напряжения от многократной нагрузки превышают значение /?., тем меньшее количество циклов нагрузки потребуется для разрушения бетона.
Цели исследования.
Достоверность предложенной концепции разрушения бетона под нагрузкой требует экспериментального подтверждения. Каждое из высказанных положений может быть подтверждено опытным путем. Так, влияние соотношения меры ползучести и усадки на процесс микроразрушений может быть выявлен за счет соответствующего подбора цемента и состава бетона. Усугубить различное соотношение явлений ползучести и усадки можно за счет условий твердения бетона. Так, свести к минимуму усадку можно за счет твердения бетона в условиях повышенной влажности, например, над слоем воды в герметических камерах.
Обеспечить минимальное влияние трения по торцам образцов, испытываемых на двуосное сжатие, возможно, придавая образцам соответствующую форму, например, крестовую, и устраивая прокладки между испытательным оборудованием и бетоном.
Методика экспериментальных исследований
Образцы, призмы, испытываемые однократной статической, многократной и длительной нагрузкой, центрировались по физическому центру. Нагрузка в этом случае составляла 0,1-0,15 предела прочности бетона при статическом загружении. Деформации призм под этой нагрузкой замерялись на базе 300 мм при помощи индикаторов часового типа, укрепленных на четырех боковых гранях призмы по их осям. Заканчивалось центрирование призм тогда, когда наибольшее отклонение деформаций по одной из граней не превышало 8 % среднего значения, подсчитанного по показаниям четырех приборов.
После окончания центрирования индикаторы снимались и дальнейшие измерения производили при помощи электрических датчиков сопротивления. Датчики с базой 100 мм наклеивались вдоль и поперек ребер на все четыре грани призмы посередине их высоты. Показания датчиков фиксировались прибором АИ-1.
При статических испытаниях призм нагрузка повышалась ступенями. Величина ступени для низкопрочных бетонов составляла 25 кН. Для бетонов средней и высокой прочности - 50 кН. Продолжительность выдержки на каждой ступени определялась временем, необходимым для снятия показаний приборов. Скорость повышения нагрузки между ступенями составляла 0.2-0.3 мПа в секунду.
При испытании на выносливость призмы предварительно центрировались и испытывались статической нагрузкой, которая возрастала ступенями, не превышая верхнего предела цикла цементной нагрузки. Затем к призмам прикладывалась многократноповторяющаяся нагрузка. Для определения отжатых в процессе пульсации продольных и поперечных деформаций, а также для определения изменившихся под воздействием многократного загружения свойств бетона через каждые 0.5x106 циклов приложения нагрузки пульсатор останавливался, и проводились промежуточные статические испытания.
Деформации во время этих испытаний измерялись по тем же датчикам, что и при первом статическом загружении. Зависимость между статической прочностью и пределом выносливости бетона устанавливалась при минимально возможном для пульсатора значении о =0.15.
Образцы, не разрушившиеся от многократно повторяющейся нагрузки, доводились до разрушения статической нагрузкой.
При длительном нагружении призмы центрировались при нагрузке, составляющей 20 % от длительной нагрузки. Затем образцы нагружались ступенями до нагрузки, соответствующей длительному нагружению. В процессе этих испытаний проводились измерения аналогичные тем, что и при испытаниях статической нагрузкой. В течение длительного загружения через определенные отрезки времени контролировалось изменение продольных и поперечных деформаций. Контроль осуществлялся по датчикам сопротивления, наклеенным на образец до начала загружения, а также съемным щелемером с индикатором часового типа, имеющем точность деления 0.001 мм.
После испытаний длительной нагрузкой образцы доводились до разрушения на прессе.
При испытании балок использовались датчики сопротивления с базой 100 мм для замеров продольных деформаций в зоне чистого изгиба, и датчики с базой 45 мм - для замера поперечных деформаций на боковых поверхностях. На верхней (горизонтальной) поверхности замеры поперечных деформаций проводились на базе 100 мм. Для уточнения эпюры напряжений в сжатой зоне изгибаемой балки использовались силовые датчики, устанавливаемые в образец до бетонирования. Особое внимание обращалось на соответствие деформативных свойств датчиков деформативности бетона с тем, чтобы избежать искажения напряженного состояния.
Силовой датчик представлял собой алюминиевый стержень круглого поперечного сечения диаметром 25 мм и длиной 60 мм. Для исключения трения о бетон боковой поверхности цилиндра, последний помещался в алюминиевую трубу длиной 50 мм и внутренним диаметром 30 мм. Толщина стенок трубы оболочки составляла 2 мм. Зазор между трубой и оболочкой заполнялся парафином. Усилия, возникающие в цилиндре, фиксировались четырьмя датчиками сопротивления с базой 45 мм. Чтобы зафиксировать датчики в образце, в необходимом месте они жестко крепились к проволочному каркасу, который устанавливался в форму до бетонирования. Связь между показаниями датчиков и возникающим в алюминиевом цилиндре усилии устанавливалась тарировкой датчиков на прессе.
При статических испытаниях балок нагрузка прикладывалась ступенями вплоть до полного исчерпания несущей способности образца. Величина ступени составляла 1,0 - 2,5 т , в зависимости от прочности бетона. Выдержка нагрузки на каждой ступени, также как и при испытании призм, зависела от времени, необходимого для снятия показания приборов. Средняя скорость нагружения балок составляла 0,004 - 0,009 мПа в секунду. Снижение скорости нагружения балок по сравнению с призмами связано с различным количеством приборов.
При испытании балок многократно повторяющейся нагрузкой перед пульсацией и через каждые 0.5x106 циклов проводились статические испытания до нагрузки, равной верхнему пределу цикла. При этих испытаниях снимались показания приборов, установленных на образце.
Соотношение между жесткостью испытываемых балок и предельным ходом плунжера пульсатора позволило обеспечить для всех значений верхнего предела нагрузки постоянную величину характеристики цикла р-ОА.
Балки, не разрушившиеся под воздействием многократно прилагаемой нагрузки, доводились до разрушения статическим загружением.
При испытании призм и балок на статическую, многократно повторную и длительную нагрузку помимо измерения деформаций и напряжений фиксировались изменения скорости ультразвука поперек действующих на бетон усилий. Эти измерения позволили установить качественные изменения, происходящие в структуре бетона при различных силовых воздействиях. Для ультразвуковых измерений использовался прибор "Бетон-8-УР".
Качественная оценка напряженного состояния от усадки цементного камня
Предложенная концепция процессов образования и развития микроразрушений в бетоне связывает их с деформациями усадки и ползучести материала. Поэтому определенный интерес представляет изучение напряженного состояния в неоднородном по прочности и деформативности материале, вызванного усадкой и ползучестью. Точное определение вызванных упомянутыми процессами явлений представляет определенные трудности в связи с существенной неоднородностью прочностных и деформационных характеристик составляющих бетон компонентов, а также их случайные размеры и формы. Поэтому ниже приводится упрощенное решение поставленной задачи, позволяющее качественно оценить влияние усадки и ползучести на интенсивность и однородность вызываемого этими явлениями поля напряжений.
Методами теорий упругости, как известно, решаются сложные задачи оценки напряженного состояния. Однако значение таких решений, рассматриваемых применительно к бетону и железобетону в качестве упруго-мгновенных, в значительной степени уменьшается из-за непостоянства во времени физических констант бетона. Поэтому методами теории упругости может быть получена лишь общая качественная характеристика напряженного состояния от усадки без учета целого комплекса сопутствующих усадке процессов.
Считая, что в "длинном" цилиндре из цементного камня диаметром 2Ь с центрально расположенным цилиндром из жесткого заполнителя диаметром 2р (см. рис. 3.8), поперечное сечение, достаточно удаленное от торцов, в процессе равномерной и одинаковой во всех точках тела объемной усадки остается плоским, можно рассматривать вместо цилиндра круглую пластинку того же диаметра толщиной равной 1. При этом предполагается также, что напряжения по площадкам, параллельным оси цилиндра, возникают только от плоской усадки, протекающей в поперечных направлениях.
Выражение для величины растягивающих напряжений т0 в любой точке бетонного кольца получается в общем виде путем решения плоской задачи теории упругости, которое приводит к дифференциальному уравнению, аналогичному уравнению Ламе для толстостенных сосудов: d2n 1 du и п ,„ „ч — + -— -- = 0 (3.5) аг г аг г Три произвольные постоянные интеграла этого уравнения определяются из трех граничных условий, соответственно: равенство радиальных напряжений и перемещений цементного камня и жесткого сердечника по контуру их контактов, а также равенство нулю радиальных напряжений по внешнему контуру бетонного кольца. Тогда величина максимальных растягивающих напряжений в цементном камне т0тах в точках по контуру жесткого сердечника может быть получена в виде: а = &Ж (3 6) где [Лп = , здесь у 1 - безразмерная характеристика толщины 1-у Ъ стенок цементного камня; vK и 1/. - коэффициенты Пуассона соответственно для цементного камня и жесткого сердечника; Р - относительная величина свободной деформации усадки, принятая одинаковой во всех направлениях; Ек - модуль упругости цементного камня; п = —±- - отношение модулей упругости жесткого сердечника и цементного Е камня.
Выражение (3.6) дает достаточно полную картину влияния различных факторов на величину напряжений. Оно показывает, что величина растягивающих напряжений зависит не только от величины усадки и модуля упругости цементного камня, но также от жесткости сердечника и относительной толщины оболочки из цементного камня. Полученная R0 зависимость объясняет, в частности, зависимость относительной величины —— R "р от прочности бетона. Действительно, с увеличением Rn снижается величина п, поскольку повышается жесткость цементного камня. Уменьшение отношения п приводит к снижению растягивающих напряжений и, как следствие, к К увеличению относительного значения
Поскольку деформации усадки являются вынужденными деформациями и сопровождаются длительными процессами, связанными с ползучестью и старением бетона, решения теории упругости не могут дать количественно удовлетворительных результатов. Действительно, напряжения, подсчитанные по выражению (3.6) в три и более раз превышают прочность цементного камня на растяжение. Однако известно, что в условиях естественной усадки цементный камень может проявлять значительную растяжимость при отсутствии видимых признаков разрушения.
В современных условиях, когда имеются разработанные теории ползучести и необходимые сведения о величине усадочных деформаций, появилась возможность более обоснованного анализа влияния длительного процесса на напряженное состояние, вызываемое объемной усадкой.
Ориентировочный учет влияния ползучести на величину вызываемых усадкой растягивающих напряжений, вычисленных по формуле (3.6) на функцию времени F(t):
