Бетоны

Технология бетона

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Теория дислокаций разработана применительно к кристаллическим телам. В бетоне кристаллические компоненты составляют основную массу твердой фазы, так как, по современным понятиям, даже гель состоит из субмикроскоиических кристаллических образований. Движение дислокаций наиболее интенсивно происходит в местах концентрации напряжений, где наблюдается скопление вакансий и дислокаций, приводящее к образованию микрообъемов материала с разрыхленной структурой. С повышением напряжения или увеличением времени его действия здесь могут возникнуть микротрещины, в свою очередь вызывающие концентрацию напряжений и дальнейшее интенсивное движение дислокаций, т. е. как бы генерирующие процессы разрушения. Таким образом, движение дислокаций создает предпосылки к образованию микротрещин.

С другой стороны, движение дислокаций, вызывая пластические сдвиги, способствует перераспределению напряжений и снижению их концентрации и тем самым частично предотвращает образование или развитие микротрещин. Микротрещины в первую очередь появляются в наиболее слабых местах. При соответствующих условиях (повышении нагрузки, расположении трещины параллельно действующему сжимающему усилию, сохранении концентрации напряжений и т. д.) микротрещины увеличиваются, соединяются между собой и с ранее существовавшими и превращаются в трещины больших размеров.

Каждому напряжению соответствует свой уровень развития процесса движения дислокаций и образования разрыхленных мест и микротрещин. Чем выше напряжение, тем больше дефектных мест и больше вероятность разрушения материала. Когда количество дефектов, существовавших до нагружения и вновь образовавшихся, станет достаточным для образования сплошной трещины (или трещин) отрыва, бетон разрушается.

Автором совместно с А. Ф. Щуровым и В. Н. Мамаевским было проведено изучение процесса разрушения цементного камня и бетона с привлечением электронного сканирующего микроскопа и малоугловой рентгенографии, которые позволили определить параметры дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня и характер микроразрушений.

Одновременно определялась энергия разрушения бетона. Применение химических добавок и различных режимов твердения позволило в заметных пределах изменять размеры кристаллитов и пор в цементном камне и его энергию разрушения.

Анализ электронных фрактограмм цементного камня бетонных призм, нагруженных выше точки R0r и полностью разрушенных, подтвердил, что процесс макро- и микроразрушения бетона и цементного камня носит кинетический характер и начинается с зарождения и развития микротрещин скола в кристаллитах гидросиликатов, которые расположены вблизи концентраторов напряжений (пор и других технологических дефектов.

Для распространения трещины от одного зерна к другому до окончательного макроскопического разрушения необходимо, чтобы упругой энергии, которая освобождается при распространении трещины, было достаточно не только для образования новых поверхностей магистральной трещины, но также и для компенсации всей дополнительной работы, идущей на производство пластических деформаций и образование ступенчатых поверхностей скола. Если пластическая деформация ограничивается тонким слоем на поверхности макротрещины (именно так и обстоит дело в цементном камне), то работу локальных пластических деформаций на единицу поверхности Ду можно рассматривать как дополнительную энергию, которая должна быть прибавлена к поверхностной энергии в уравнении Гриффитса—Орована, являющемся условием распространения трещины в поликристаллнческих материалах

Эта формула справедлива и для пористых тел при введении в нее коэффициентов, учитывающих пористость и другие дефекты.

Возможность применения соотношений указанного типа к цементному камню, а следовательно, и физических моделей разрушения, лежащих в основе этих формул, была проведена экспериментально. С этой целью были построены зависимости  прочность —

средний размер dcp кристаллита геля гидросиликатов и вычислена эффективная энергия разрушения через экспериментально наблюдаемую величину. Степень гидратации и общая пористость этих образцов оставались постоянными. Из рассмотрения этих данных следует, что, во-первых, прочность цементного камня зависит от размера кристаллита по закону R—f(dcр)-1/2; во-вторых, не только степень гидратации и общая пористость определяют прочность цементного камня, при одинаковых значениях этих характеристик прочность может значительно изменяться вследствие различия дисперсно-кристаллпт- ной структуры геля гидросиликатов; в-третьих, эффективная энер гия разрушения yi оказалась значительно больше, чем поверхностная энергия у, вычисленная из кристаллохимических данных и измеренная адсорбционными методами.

С помощью модели распространения трещины раскрыта физическая природа связи между характеристиками структуры, прочностью и трещиностойкостью, наблюдаемая при изменении условий твердения и введении химических добавок. Модифицирующее действие комплексных добавок состоит в улучшении микропластических свойств кристаллитнон структуры, уменьшении размеров зерен и пор цементного геля, а также более равномерном их распределении в микрообъемах.

Способность структуры к микропластическим деформациям повышает эффективную энергию разрушения, а малые размеры кристаллитов приводят к увеличению микрообъемов, в которых эта деформация развивается. Таким образим, повышаются вязкость разрушения, трещиностойкость и прочность материала в целом.

Эксперименты по измерению вязкости разрушения показали, что низкая прочность цементного камня обусловлена в первую очередь наличием в нем неравномерного распределения продуктов гидратации. Создание мелкозернистой равномерной структуры из слоистых кристаллитов, способных к микропластическим деформациям без технологических дефектов, что достигается с помощью химических добавок, мо но рассматривать как эффективный путь повышения прочности ч трещиностойкости бетонов.

Процесс движения дислокаций, образования и развития микротрещин и передислокации жидкой фазы связан с переходом отдельных атомов, молекул и блоков на новые места и поэтому зависит от времени действия нагрузки. Чем ti-роче время действия нагрузки или выше скорость нагружения, тем с меньшей относительной полнотой протекает этот процесс, меньший объем материала им охватывается и меньше вероятность появления микротрещин и трещин отрыва. Внешне это выражается в уменьшении относительной деформации бетона, соответствующей определенному напряжению (за счет уменьшения пластической деформации), или «запаздывании деформаций».

Для разрушения бетона, т. е. образования сплошной трещины отрыва, требуется достаточное развитие процесса микротрещино- образования и достижение определенной предельной деформации. Чем короче время нагружеиия, тем большее напряжение необходимо приложить для образования трещины отрыва и разрушения материала. Таким образом, предел прочности бетона зависит от времени или скорости приложения нагрузки.

Большое значение для прочности бетона имеет сцепление цементного камня с заполнителем, т. е. прочность контактной зоны. В последней из-за недостаточного сцепления, седиментационных процессов и других причин количество дефектов (пор различных размеров, микротрешин и др.) больше, чем в остальном объеме бетона, и, кроме того, свойства контаь тирующих слоев материала резко меняются. Поэтому в этой зоне при нагружении происходят интенсивное движение дислокаций, разрыхление материала и образование микротрещин. Разрушение бетона начинается с контактного слоя, поэтому ухудшение его свойств (например, после замораживания и оттаивания) резко повышает вероятность разрыва по дефег -ным местам и снижает прочность бетона.

Большое влияние на прочность может оказать ьлажмость бетона. При медленном нагружении жидкая фаза, передвигаясь по капиллярам и проникая в устья микротрещин, облегчает деформирование бетона, развитие трещинообразования и разрушение. С повышением скорости нагру- жения, с одной стороны, передислокация жидкой фазы начинает отставать от скорости трещинообразования, а с другой стороны, повышается сопротивление жидкой фазы нагрузке в соответствии с известной зависимостью для вязких тел т. е. жидкая фаза не только передает давление от нагрузки на стенки пор и капилляров, но и частично воспринимает его сама, как бы разгружая твердую фазу. Rt/Rcn

При высокой скорости нагружения жидкая фаза практически не успевает попасть в устье вновь образующихся микротрещин и повлиять на процесс их развития (обычно это наблюдается при времени нагружения до разрушения меньше 0,2 ... 0,3 с).

С повышением скорости нагружения уменьшается отрицательное действие жидкой фазы и прочность бетона повышается. Степень этого повышения определяется не только скоростью нагружения, но и содержанием жидкой фазы в бетоне. Чем выше степень водонасыщения, тем больше жидкая фаза влияет на свойства бетона. При быстром нагружении водонасыщенный бетон оказывается прочнее сухого.

При большой длительности нагружения бетона в раннем возрасте цемент способен вступать в химическое взаимодействие с водой в процессе испытания. Происходит так называемое самозалечивание микротрещин и постепенное упрочнение структуры. При быстром нагружении (менее 1 с) химические взаимодействия между цементом и водой можно не учитывать, тем более что вследствие высказанных выше причин в ряде случаев вода не успевает поступить к вновь образующимся свободным поверхностям, способным к реакции.

Теория дислокаций