WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |

МЕХАНИКА ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ БЕТОНА (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

ENGLISH VERSION

 http://dh.ufacom.ru/Articlecrack.html

К.т.н. Ильдар Каримов

Адрес для контакта: 450071, Россия, г.Уфа, а/я 21, Башкирский государственный аграрный университет, Кафедра теоретической и прикладной механики, Телефон/факс: (3472) 308138, Email: dh@ufacom.ru

 

Данный литературный обзор освещает современные представления о механизме образования трещин в бетонных конструкциях.

  В подавляющем большинстве случаев процесс разрушения бетона происходит в результате прорастания одной из трещин или семейства разветвленных трещин через его сечение. Такие трещины часто называют магистральными. После нагружения бетонного образца магистральная трещина в течение долгого времени не наблюдается, а затем, появившись и с большой скоростью “пробегая” через образец быстро его разрушает.

Как показывает анализ сложившихся к настоящему времени представлений о закономерностях хрупкого разрушения, в материалах типа бетона протекают следующие физические процессы:

1) образование зародышевых микротрещин;

2) страгивание микротрещин (нестабильный рост);

3) распространение или блокировка (торможение) трещин в достаточно характерном для данного материала объеме, содержащем такие структурные элементы (границы заполнителей, поры и полости различного происхождения), которые могут быть препятствиями для микротрещин, а также при попадании трещины в зону действия сжимающих напряжений.

Изучение процессов, происходящих во всем объеме бетонного элемента (внутриструктурные напряжения, образование субмикроскопических трещин, появление и развитие микроскопических трещин) является предварительным условием в построении теории механики разрушения бетона, так как все данные по этим процессам, позволяя шаг за шагом описывать ход разрушения, не могут пока дать возможность предсказать с достаточной точностью сам процесс разделения бетонного тела на части.

Переход к изучению магистральной трещины в этом плане и есть необходимый шаг в развитии представлений о кинетике разрушения бетона. В самом деле, рост магистральной трещины определяется состоянием и процессами в очень малой области у вершины этой трещины. Во всей остальной части образца может практически ничего не происходить, а образец разрушится распадется на две части изза тех явлений, которые происходили на кончике трещины.

Зайцев Ю.В. [1] попытался сформулировать основные особенности поведения трещин в неоднородном материале типа бетона.

1. Распределение напряжений в неоднородном материале даже при отсутствии трещин существенно отличается от распределения напряжений в однородном теле. Это явление связано с различием упругих свойств компонентов.

2. В бетоне, в зависимости от соотношения свойств его компонентов и характеристик контакта этих компонентов, трещины могут развиваться в различных зонах: в цементной матрице, в заполнителе и в контактной зоне.

3. В неоднородном материале трещины имеют тенденцию легко проникать из более жесткого в менее жесткий материал. Обратное явление затруднено, то есть возможна остановка трещин на границе раздела компонентов.

4. Необходимым и достаточным условием разрушения образца материала является образование одной или нескольких магистральных, то есть сквозных, трещин, вызывающих деление образца пополам или на большее число частей. При таком условии наличие в образце даже значительного числа несквозных трещин еще не говорит о его разрушении; с другой стороны, образование, например, сквозной продольной трещины в сжатом образце считается эквивалентным его разрушению, даже если образовавшиеся части еще могли бы выдержать сжимающую нагрузку.

Старт макротрещины, обусловленный хрупким зарождением разрушения в ее вершине в общем случае не является “гарантом” глобального разрушения элемента конструкции. При хрупком разрушении нестабильное развитие трещины начинается сразу после ее старта, но тем не менее трещина может остановиться, не разрушив конструкции, что может быть связано с малой энергоемкостью конструкции (не хватает энергии на обеспечение динамического роста трещины) или определенной системой остаточных напряжений (попадание трещины в область сжатия).



Таким образом, надежность конструкции в общем случае определяется не только условиями старта трещины, но и кинетикой ее роста.

Как было сказано выше, старт трещины при хрупком разрушении реализуется по механизму встречного процесса, который включает зарождение и развитие микротрещины в зоне предразрушения и ее объединение с макротрещиной. Дальнейшее развитие макротрещины, согласно Г.П.Карзову, возможно по двум альтернативным механизмам.

Первый механизм базируется на представлении, что рост макротрещины происходит за счет непрерывного зарождения у ее вершины микротрещин, которые, развиваясь, объединяются с макротрещиной. Иными словами, рост макротрещины есть не что иное, как непрерывный акт зарождения хрупкого разрушения. Очевидно, что при хрупком развитии трещины по первому механизму необходима достаточно большая энергия, так как непрерывно (по мере роста трещины) должны обеспечиваться необходимые и достаточные условия зарождения макроразрушения, что связано с меньшим или большим, но обязательно с наличием пластического деформирования у вершины движущейся макротрещины.

Второй возможный механизм развития трещины базируется на следующих представлениях. После объединения микротрещины с макротрещиной идет непрерывное динамическое развитие макротрещины при отсутствии заметного пластического деформирования у вершины быстро развивающейся трещины (недостаточно времени на реализацию релаксационных процессов в вершине). При этом энергия Gc, по заключению Г.П.Карзова, необходимая для старта трещины, выше, чем энергия gf, требующаяся на ее развитие. Следовательно, динамическое развитие трещины при хрупком разрушении наиболее вероятно происходит по второму механизму.

Таким образом, развитие хрупкого разрушения не происходит по встречному механизму (в отличие от старта хрупкой трещины), а связано с непосредственным ростом магистральной трещины (макротрещины). Такой факт дает возможность напрямую использовать концепцию механики разрушения, сводящуюся к решению уравнения, в левой части которого стоят параметры K, G, зависящие от режима нагружения конструкции, а в правой их критические значения, характеризующие свойства материала.

Рассмотрим взгляды современных авторов на процесс трещинообразования и разрушения бетона.

Так авторами [24] рассматриваются особенности структуры и процесс разрушения бетона под действием одноосной сжимающей нагрузки, протекающий в четыре стадии. На 1й стадии в бетоне возникают внутренние напряжения без образования трещин, то есть бетон ведет себя как упругое тело. Эта стадия продолжается до нагрузки, составляющей ~ 30% от разрушающей нагрузки. На 2й стадии (~30%50% от разрушающей нагрузки) образуются трещины в соединительном слое между цементным камнем и зернами грубого заполнителя. На 3й стадии (до 75% от разрушающей нагрузки) возникшие на предыдущей стадии трещины расширяются и происходит образование трещин непосредственно в цементном камне. На последней 4й стадии (>75% от разрушающей нагрузки) отдельные трещины смыкаются, образуя систему трещин и начинается разрушение бетона.

Для исследования влияния механических характеристик и состояния поверхности заполнителя на прочность бетона авторы [23] испытывали три типа образцов: изгибаемые балочки, состоящие наполовину из заполнителя и раствора и призмы с цилиндрическими включениями заполнителя. Поверхность заполнителя в различных сериях опытов шлифовали, делали шероховатой, покрывали полиэтиленовой пленкой или приклеивали к раствору эпоксидным клеем. Модельный заполнитель был также изготовлен из раствора. Исследования показали, что прочность сцепления заполнителя с раствором при изгибе не зависит от прочности заполнителя, а прочность сцепления при сдвиге со сжатием (по наклонному сечению) является функцией прочности заполнителя и состояния его поверхности. Независимо от прочности и состояния его поверхности первые трещины в бетоне при осевом сжатии появлялись по поверхности сцепления заполнителя с раствором. При прочности заполнителя ниже прочности раствора в дальнейшем одновременно развивались трещины в заполнителе в заполнителе и в растворе и, наконец, разрушение от сжатия заполнителя приводило к разрушению бетона. Поэтому прочность бетона сильно зависела от прочности заполнителя. При прочности заполнителя выше прочности раствора на последующих стадиях нагружения растворные трещины сливаются с трещинами сцепления, образуя непрерывную систему трещин, параллельных действию нагрузки. На последнем этапе локальное разрушение раствора вблизи заполнителя приводит к разрушению бетона в целом. Поэтому прочность при сжатии таких бетонов в основном зависит от прочности раствора. При прочности заполнителя, меньшей прочности раствора соотношение прочностей раствора и бетона растет при увеличении соотношения прочностей заполнителя и раствора, а при прочности заполнителя больше прочности раствора соотношения прочностей бетона и раствора несколько уменьшаются при росте соотношения прочностей заполнителя и раствора. Поэтому использование высокопрочных заполнителей не является обязательным для получения высокопрочного бетона. Шероховатость поверхности заполнителя влияет на развитие трещин сцепления, но слабо сказывается на прочности бетона при сжатии.





По данным [9] бетон при сжатии может разрушаться по одному из трех механизмов: вследствие раскалывания заполнителей, от нарушения сцепления цементного камня или раствора с крупным заполнителем или от разрушения самого цементного камня. Все три механизма разрушения могут работать в бетоне одновременно. На основе теоретических и экспериментальных исследований получена зависимость прочности при сжатии бетона (Rco) от прочности заполнителя при раскалывании (Rsp), средней прочности сцепления цементного камня с заполнителем (Rbo) и прочностью цементного камня или раствора на растяжение (Rp). Эта зависимость для образцов бетона размером 10х10х10 см имеет вид: Rco=0,4Rsp+14,32Rbo+2,02Rp32. Количество плоскостей разрушения при деформации бетона в предельном состоянии уменьшается при увеличении крупности заполнителя, что приводит к снижению прочности бетона. С другой стороны при увеличении крупности заполнителя возрастает концентрация напряжений, что также снижает прочность бетона. Теоретически прочность бетона должна возрастать при уменьшении толщины растворной прослойки между зернами крупного заполнителя или снижении расхода цемента, что подтверждается экспериментально.

Согласно данным [27] зависимость между напряжениями и деформациями в бетоне имеет вид нескольких отрезков прямых. Точки перелома характеризуют резкий рост деформаций. Сделана попытка связать точки перелома с развитием микротрещин. Эксперименты показали, что первая и вторая точки перелома в бетоне, растворе и цементном камне происходят при одинаковых относительных деформациях (8,8Ч104) и, следовательно, связаны с микротрещинами в цементном камне. С ростом нагрузки волосяные трещины в цементном камне растут до одной величины и останавливаются, начинают расти другие трещины. При дальнейшем росте деформаций увеличиваются трещины типа пор, что и вызывает появление первой точки перелома. Вторая точка перелома связана с ростом продольных протяженных трещин, образующихся при раскалывании цементного камня. Диаметр трещин не превышает 0,09 мм до достижения второй точки перелома, после которой они начинают внезапно расти и раскалывать цементный камень. Вблизи устья трещин раскалывания имеются трещины типа пор размером 0,160,19 мм, а на расстоянии уже 1 мм от устья трещины имеют размер <0,09 мм, что подтверждает предлагаемый механизм разрушения.

Авторы [16] проводили исследования процесса разрушения бетона при сжатии на цилиндрах 10х20 см из бетона состава 1:2,03:3,1 по весу с В/Ц=0,63. Образцы испытывали на прессе ступенчатым нагружением со снятием нагрузки после каждой ступени. Разрушение оценивали по энергетическим характеристикам полной кривой деформаций, измерявшейся тремя дифференциальнотрансформаторными датчиками. Исследования показали, что обратимые деформации достигают максимума при предельной нагрузке. При увеличении скорости нагружения и уменьшении водосодержания бетона прочность его при сжатии возрастает. При уменьшении водосодержания бетона бетона энергия образования трещин возрастает, а энергия вязкого трения снижается. Хрупкость бетона можно оценить по соотношению энергии обратимых деформаций и общей сообщаемой образцу энергии при максимальной нагрузке или же по соотношению энергии, сообщаемой образцу в какойлибо точке нисходящей ветви кривой деформаций, и общей энергии, сообщаемой образцу при максимальной нагрузке.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.