ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ФІЦ СТАНІСЛАВ БОГДАН

УДК 691.32

Вплив технологічних факторів

на міцність бетону при ударному навантаженні

в екстремальних умовах середовища

Спеціальність 05.23.05 – Будівельні матеріали і вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса- 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Люблінській Політехніці (Польща) та в Одеській Державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: | д.т.н., проф. Вировий Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри ВБК

Офіційні опоненти |

- д.т.н., проф. Федоркін Сергій Іванович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій та будівельних матеріалів

- д.т.н., с.н.с. Щербак Святослав Андрійович, Придніпровська Державна академія будівництва та архітектури, завідувач відділу докторантури, аспірантури та магістратури

- д.т.н., проф. Нікіфоров Олексій Петрович, ВАТ „Дніпропетровський науково-дослідний інститут будівельного виробництва”, перший заступник голови правління

Провідна

установа | Національний університет водного господарства та природокористування, кафедра технології будівельних виробів та матеріалознавства, Міністерство освіти і науки, м. Рівне.

Захист відбудеться “8” лютого 2005 р. об 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 в Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий “6” січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 41.085.01,

канд. техн. наук, доцент С.С.Макарова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Ударні навантаження, під якими розуміють сукупні явища, виникаючі при зіткненні рухаючихся тіл, досить часто виникають в інженерній практиці під час спорудження та експлуатації як окремих конструкцій, так і цілих споруд. При цьому ударні навантаження можуть бути враховані при проектуванні, наприклад, конструкції фундаментів ковальських молотів та натиску вальних пресів, наголовок забивних палей і т.ін., а також можуть бути пов’язані з випадковістю, наприклад, випадкове зіткнення при транспортуванні та монтажі конструкцій, градобої, зіткненні будь-якого тіла (транспорту, криги, каміння тощо) з елементами конструкцій або споруд.

Одночасно з ударною дією (запланованою або випадковою) матеріал конструкцій сприймає навантаження, пов’язані зі зміною температурно-вологісних умов експлуатації. Багаторазове заморожування та розтаювання, насичення водою, експлуатація при підвищених температурах призводять до зміни структури матеріалу, викликають зменшення терміну експлуатації. Сумарна дія імпульсних, техногенних і екологічних впливів можуть привести до передчасного руйнування конструкцій. Ймовірність цього ґрунтується на встановленому явищі, що в умовах ударніх дій матеріал руйнується при більш низьких напруженнях порівнянно зі статичним навантаженням.

На думку багатьох фахівців, бетон являє собою грубо гетерогенний матеріал з полі структурною будовою. Об’єктивними структурними параметрами таких матеріалів слід вважати технологічні тріщини та залишкові деформації, які виникають в період одержання самого матеріалу та його оформленні в конструктивні форми при подальшому твердінні. Основною причиною руйнування матеріалів під дією ударних та екологічних впливів є незворотне зростання тріщин до тріщин руйнування або магістральних. В свою чергу, кінетика трансформації технологічних тріщин в експлуатаційні з їх послідуючим розвитком, в значній мірі, залежать від характеру розподілу початкових недосконалостей. Останні залежать від початкового складу та технологічних умов одержання матеріалу та виробів із нього. Таким чином, виявлення механізмів утворення технологічних тріщин з метою регулювання характером їх розподілу на різних структурних рівнях для підвищення стійкості бетонів в умовах ударного навантаження та дії навколишнього середовища є своєчасним та актуальним завданням. Особливо слід підкреслити значення досліджень впливу ударних навантажень на руйнування конструкцій та споруд з врахуванням значних катастроф, що виникли внаслідок землетрусів, повеней, вибухів технологічного та технічного обладнання тощо.

У зв’язку з цим, вирішення проблеми підвищення ударної стійкості бетонів з врахуванням несприятливої дії навколишнього середовища, є доцільним і практично необхідним.

Зв’язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Наведені в дисертації дослідження теоретичного та прикладного характеру виконувались у рамках програми наукових робіт (внутрішнього гранту) Люблінської Політехніки „Аналіз вантажопідйомності, а також умов експлуатації споруд, побудованих із традиційних і отриманих в процесі рециклінгу матеріалів”, завдання 4 – „Вплив технологічних факторів і факторів навколишнього середовища на властивості дроблених бетонів”, завдання 5 – „Механічні властивості і деформація звичайних бетонів і бетонів високої міцності”. Наукові і дослідницькі роботи були проведені також у 1996 – 2002 роках по напрямку дослідницького проекту РВ-0323/Т12/996/10 „Синтез адаптаційних систем управління”, нейронові сітки, алгоритми переробки даних.

Мета роботи: науково-технічні основи підвищення стійкості бетонів як грубо гетерогенних матеріалів при ударному навантаженні за рахунок управління макроструктурними параметрами шляхом зміни технологічних факторів їх отримання.

Задачі досліджень:

- аналіз механізмів організації макроструктури бетонів;

- аналіз механізмів руйнування бетонів при різноманітних видах експлуатаційного навантаження;

- вивчення впливу виду і кількості заповнювачів, цементу та W/C на стійкість при ударному навантаженні;

- дослідження можливості використання штучних нейронових сіток для прогнозування стійкості бетонів при ударному навантаженні;

- вивчення впливу вологості на стійкість бетонів при імпульсивному навантаженні;

- вивчення впливу замороження і розмерзання на опір бетонів різного складу при ударному навантаженні;

- дослідження ударної стійкості бетонів в умовах підвищених температур;

- розробка технологічних рекомендацій для підвищення експлуатаційної стійкості бетонів в умовах ударного навантаження.

Об’єктом дослідження і дослідів був обраний звичайний бетон різних складів на заповнювачах у вигляді гравію та щебеню.

Предметом дослідження були процеси утворення макроструктури бетону, а також стійкість бетону при ударних навантаженнях.

Методи дослідження: методи графоаналітичні, мікроскопічні, принципи еластооптики, ртутної порометрії при визначенні мікро- і макроструктури бетону, а також деформацій у системі “заповнювач – матриця – ВПР”; маятникового балістичного молота в оцінюванні міцності бетону на удар; оцінюванння динамічного коефіцієнту пружності резонансним методом; стандартні методи оцінювання властивостей бетонної суміші та бетону; комп’ютерна програма по статичному аналізу і обробці експериментальних результатів; застосування штучних нейронних сіток у прогнозуванні міцнісних властивостей бетонів.

Наукова новизна:

- запропоновані і реалізовані механізми організації структури грубо гетерогенних матеріалів на рівні структурної неоднорідності типу матриця – заповнювачі;

- показано механізм виникнення і розвитку технологічних тріщин у макроструктурі бетону;

- запропонована класифікація технологічних тріщин і внутрішніх поверхонь розділу в залежності від геометричних характеристик макроструктури і рівня взаємодії твердіючого матричного матеріалу із заповнювачами;

- розглянуто механізм руйнування бетону при ударних навантаженнях в залежності від умов експлуатації;

- отримано нову науково-технічну інформацію про вплив природи і кількість заповнювачів на стійкість бетону при імпульсивних навантаженнях;

- показано вплив середовища експлуатації на прикладі зміни вологості, температури і багаторазового замороження, і розмерзання на зміну опору бетону при ударних навантаженнях.

Практичне значення роботи:–

розроблено критерії підбору складових бетонних сумішей, що застосовуються при отриманні збірних елементів і підлягають навантаженню;–

у результаті проведених експериментальних досліджень і теоретичних розробок у сфері утворення тріщин і внутрішніх поверхонь розділу запропоновано вказівки для обмеження утворення тріщин у збірних вбиваючих палях згідно з положеннями польської норми PN-83/B-02482 і вимогами герметичності бетону. У більш пізньому періоді його експлуатації у вищезазначеній нормі не передбачено динамічного навантаження під час вбиття, що є головною причиною утворення тріщин у вбитих елементах, а не лише експлуатаційним статичним навантаженням;–

розроблено вказівки для виробників і архітекторів у застосуванні збірних палів із врахуванням агресивного впливу на бетон ґрунтових вод;–

впровадження результатів досліджень при розробці вказівок по виготовленню бетонів підвищеної стійкості на удар, наприклад, бетонних плит для аеродромів (багаторазовий удар коліс літаків під час посадки), одночасно із передбаченням міцності цих елементів в умовах агресивної дії вологи, морозу; і у проектуванні та виготовленні бетонів для об’єктів берегоукріплення, морських портів, хвилеломів, де виступають багаторазові ударні навантаження морських хвиль на бетонний елемент;

- розроблені вказівки впроваджені в Проектному Бюро „Inwestprojekt” у Любліні, а також в будівельних фірмах (наприклад, „Ekbud”, фабрика будинків).

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати досліджень отримані автором самостійно:

– огляд літературних джерел по впливу на ударну стійкість бетонів, його складових та структури;

– розвиток фізичних і технологічних основ механізму утворення технологічних тріщин і внутрішніх поверхонь розділу при взаємодії матричного матеріалу із заповнювачами;

– модель структури бетону, яка включає в себе певний характерний розподіл технологічних тріщин, внутрішніх поверхонь розділу та локальних і інтегральних залишкових деформацій;

– створення методологічної бази дослідження процесів руйнування бетону при ударних навантаженнях залежно від умов експлуатації;

– розробка впливу зміни вологості, високої температури і багаторазового заморожування та розмерзання на стійкість бетонів в умовах ударного навантаження;

– розробка умов придатності штучних нейтронних сіток у прогнозуванні стійкості бетону на удар;

– масив експериментальних даних з їх статистичною оцінкою по впливу технологічних факторів на ударну стійкість бетону з врахуванням умов його експлуатації;

– склади бетонів, які забезпечують підвищену ударну міцність та інші міцнісні показники.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень були представлені на міжнародних і вітчизняних конференціях, симпозіумах семінарах: Міжнародний семінар „American House Construction” (Гдиня 1993р.), ХІ Навчальна Конференція Гідротехнічного і Материкового Будівництва PAN i KN PZITB „Науково-дослідницькі проблеми будівництва” (Криниця 1994р.), Симпозіум „Конструкції будівель зі збірних великих бетонних плит” СОВР ВО у Варшаві (Пулави 1995р.), Конференція „Проблеми екології в будівництві” (Казімєж Д. 1998р.), VII Конференція „Світлопроводи і їх призначення” KE i T, PKO SEP (Красноброд 1999р.), VI International Scientific Conference „Current Issues of Civil and Environmental Engineering” (Львів 2001р.), Семінар „Міцність бетонних конструкцій” PL, PZITB (Казімєж Д. 2002р.), Міжнародний Симпозіум „Сучасні будівельні конструкції із металу, деревини і пластмаси” (Одеса 2001р., 2004р.), Modelling and Optimisation in Materials Science Proceedings of the 42rd International Seminar on Modelling and Optimisation of Composites MOC’42 (Одеса 2003р.), MOC’43 (Одеса 2004р.), VI Міжнародна научно-практична конференція “Дні сучасного бетону” (Запоріжжя, 2004).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 28 статей, з них 22 у фахових виданнях, 6 матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. У цілому дисертаційна робота складається із вступу, основної частини (7 розділів) і загальних висновків. Робота викладена на 334 сторінках машинопису, включає 142 малюнки на 66 сторінках, 22 таблиць на 16 сторінках, список використаної літератури з 297 найменувань на 20 сторінках, 9 сторінок додатків.

оСНОВНИЙ Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання досліджень, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, наведено дані про апробацію роботи, особистий внесок здобувача, публікації за темою та структура дисертації.

У першому розділі представлений аналіз умов експлуатації і характер поведінки бетону у конструкціях. Бетон як універсальний конструкційний матеріал повсюдно застосовується у будівництві, і тому є предметом вивчення багатьох дослідників. Суттєвий внесок у розвиток теорії бетонів внесли: Ю.М.Баженов, В.І.Соломатов, О.П.Мчедлов-Петросян, В.М. Москвин, С.В. Шестоперов, В.І. Бабушкін, В.Л. Черняковский; за кордоном – T.C. Powers, M.A. Neville, D.F. Orchard, H.W. Reinhardt, L. Suwalski, W. Bukowski, M.T. Huber. У сфері, пов’язаній із впливом технологічних факторів на властивості бетону, істотний внесок внесли також: Ю.М. Бутт, О.В. Волженьский, Б.Г. Скрамтаєв, W. Paszowski, S. Olszak, T. Kluz та інші.

У розділі представлено критичний аналіз стану літератури за останні роки. Вказано на суттєву роль підбору компонентів бетонної суміші і їх впливу на формування міцності бетону. Проаналізовано роль заповнювача і вплив В/Ц на кінцеву міцність, а також довговічність бетону.

В аналізі літератури багато уваги приділено впливу перехідного шару – внутрішньої поверхні розділу (ВПР), заповнювача – матричного матеріалу на властивості бетону. І хоча у даній сфері панують різні думки серед дослідників щодо формування ВПР, її шару і ролі, то більшість з них погоджується з тим, що ВПР є достатньо слабким структурним елементом гетерогенного матеріалу. Внаслідок того, що ВПР бере участь у передачі навантажень із заповнювача на матричний матеріал, деякі дослідники підкреслюють суттєву роль ВПР у становленні міцності бетону. Інші звертали увагу на значення самого матричного матеріалу. Дуже мало даних про вплив кількості і якості заповнювача у становленні характеру ВПР під час процесу твердіння бетону, що у кінцевому результаті впливає на міцність і довговічність бетону.

У подальших роздумах вказано на суттєве значення часу і швидкості навантаження у формуванні механічних характеристик бетону. Наведені в аналізах результати експериментів різних дослідників довели, що збільшення швидкості навантаження вело до збільшення міцності на розтягування, деформації і модуля пружності.

Так як у дисертації представлений вплив агресивних факторів (вологи, високих і низьких температур) на бетон при ударному навантаженні, аналізу була піддана дана сфера досліджень. Уваги заслуговує той факт, що у представленому вище діапазоні знайдено тільки одиничні літературні позиції, які стосуються даної проблеми, крім доволі частої появи цього явища в експлуатаційних умовах. Далі представлено аналіз руйнівного впливу перемінного заморожування і розмерзання, а також способи дослідження морозостійкості бетону. Достатньо довгий період дослідження, часто до, напр., 200 циклів перемінного заморожування і відтаювання, і визначення міцності на стиск не інформує у достатній мірі про руйнівні зміни у бетоні. При стиску проходить перерозподіл напруг і навантажень у слабких місцях бетону, причому мікроруйнування і нерівність стискуваних площин зразків веде до високого коефіцієнту варіації.

В аналізі літератури, що стосується впливу високої температури на бетон, вказується на роль хімічних процесів, які проходять під впливом збільшення температури, а також на склад бетону, тип заповнювача, W/C, деформацій.

Проведений аналіз літератури показав достатній рівень знань у сфері досліджень бетону при циклічному імпульсивному ударному навантаженні (як для бетону, що працює у конструкціях, так і під впливом вологи, високої і низької температури). Показано недостатність інформації про становлення мікро- і макроструктур у процесі твердіння бетону (при навантаженні), утворення технологічних тріщин і їх розвиток в експлуатаційні тріщини при ударному навантаженні. Тому розгляд даної проблематики, яка витікає із представленого вище аналізу стану наукових досліджень, є особливо суттєвим і практично обґрунтованим.

У другому розділі представлені методи досліджень і властивості прийнятих в дослідах матеріалів. Проведений аналіз прийнятих методів здійснення ударних навантажень, а також бетонних зразків.

Удари на елементи і бетонні зразки здійснюють за допомогою:

а) маятникового механічного копра,

б) ротаційних молотів,

в) падаючих вертикальних копрів або засобів типу падіння, пневматичних молотів,

г) вибухових засобів і матеріалів,

ґ) імітаційних, які симулюють удари, дослідів із застосуванням комп’ютерів зі спеціальним програмним забезпеченням.

На основі проведеного вивчення і аналізу випробувальний стенд для утворення ударів повинен характеризуватися: простотою конструкції, повторюваністю і уніфікацією, легкістю вимірів і відліків, невеликим впливом опору і сил тертя у засобі, застосуванням бетонних зразків стандартних розмірів, виміром у фізичних одиницях.

Враховуючи вищесказане, а також економічні обмеження, побудовано балістичний маятниковий копер на основі конструкції, запропонованої Х.Гріном. Після введення модифікації окремих елементів, засіб, який наносить удари, був прийнятий у вигляді молота - циліндра вагою 12 кг, завершеного наконечником – бойком діаметром 40 мм, і ковадлом вагою 61,2 кг. Молот і ковадло були підвішені до несучої конструкції за допомогою сталевих тросів довжиною 4,0 м. Схема випробувального стенду представлена на рис. 1.

У передній частині ковадла на консольній полиці поміщався бетонний зразок розміром 15х15х15 см, по якому наносилися удари з висоти h = 0,4 м. Дослідницький стенд оснащений осцилоскопом для виміру часу навантаження зразків при ударі.

Критерії оцінки опору бетону на удар. Опір бетону ударному навантаженню прийнято визначати як здатність витримувати повторювані удари, з врахуванням поглинутої енергії EA, аж до моменту руйнування зразка. В якості додаткових критеріїв були застосовані:

- середня поглинута енергія за один удар: EA/U [Nm], де: ЕА – сума енергії, поглинутої зразком при його руйнуванні, U – кількість ударів, які потрібні для руйнування зразка;

- коефіцієнт реконструкції k=Eпол/Eрек, що характеризує пружні та пластичні якості бетону.

Рис. 1. Схема дії маятникового копру:

h1, h2 – найбільші висоти після взаємного відскоку, вирахувані на шкалі, а – електромагніт, b – бетонний зразок 15х15х15 см, 1’ – розміщення молота, 2’ – розміщення ковадла з бетонним зразком до удару, 1 – найбільші горизонтальні відхилення молоту, 2 – найбільші горизонтальні відхилення ковадла зі зразком після взаємного відскоку

У процесі ударного навантаження виділяють три характерні фази поведінки бетонних зразків. У першій фазі утворюється відбиток бойка; друга фаза – характеризується стабілізацією енергії, а третя – розвитком тріщин аж до моменту руйнування зразка.

Міцність на стиск Rb і розтяг Rp визначали на 6 зразках із кожної серії. Динамічний модуль пружності Ecmd розраховували резонансним методом на 3 зразках розмірами 10x10x50 см із кожної серії. Усі зразки тверділи у нормальних умовах 28 діб.

Визначення пористості велися методом ртутної порометрії.

Для виготовлення бетонних зразків був застосований портландський цемент без домішок „Chelm 35” (CEM 32,5R), а також два типи заповнювачів: гравій і щебінь фракції O 4ч8 ? Ш 10ч16. ?ожна із серій досліджуваних зразків мала різні значення В/Ц: 0,40; 0,45; 0,50; 0,55; 0,70.

Механізми формування макроструктурних характеристик аналізували на моделях структурних чарунок бетонів. Розподіл деформацій твердіючого матричного матеріалу вивчали графо-аналітичним методом та методом фотопружності. При вивченні впливу умов експлуатації на зміну ударної стійкості бетону застосовували спеціальні методи.

Організація експериментів проводилась з врахуванням впливу ударного та екологічного навантаження на бетон різних складів та структури, рис. 2.

Рис. 2. Схема організації експериментів з врахуванням

зовнішних навантажень та зміни структурних параметрів бетону

З метою визначення залежності між досліджуваними величинами проведено статистичні аналізи за допомогою стандартної комп’ютерної програми.

Третій розділ представляє аналіз причин і механізмів формування внутрішніх поверхонь розділу (ВПР) у бетоні.

Проведений аналіз структури бетону як гетерогенного поліструктурного матеріалу дозволив виділити наступні структурні параметри, які повинні визначати його здатність зберігати функціональні властивості при експлуатації у екстремальних умовах:

- локальні та інтегральні поля залишкових деформацій, як характеристики стану окремих складових структур, так і всього поліструктурного матеріалу;

- ВПР на межі розподілу матриці і заповнювачів;

- ВПР між окремими структурами на одному рівні структурних неоднорідностей і між різними рівнями структурних неоднорідностей;

- ВПР як береги технологічних тріщин;

- технологічні тріщини.

Крім того, до структурних параметрів слід віднести розподіл пор і капілярів у матриці, кількість, вид, якісний склад і орієнтування заповнювачів.

Виділені структурні параметри є завершальним етапом організації структури бетону як гетерогенного матеріалу і залежать від вихідного складу і технологічних умов отримання матеріалу, формування виробів і набору міцності. Тому залишкові деформації, технологічні тріщини і ВПР різних типів, як функції технологічного процесу, віднесені до технологічних (залишкових, початкових, спадкових) параметрів структури. Технологічні параметри структури впливають на формування властивостей і збереження заданого рівня властивостей у визначений часовий період експлуатації бетонів. Тому важливим завданням є аналіз механізмів формування спадкових структурних параметрів на різних рівнях структурних неоднорідностей поліструктурного матеріалу. Це дає можливість розробити технологічні засоби і прийоми для управління їх розподілом у структурах із метою збереження споживацьких властивостей матеріалу в екстремальних умовах в проектні терміни експлуатації.

Аналіз механізмів формування ВПР у бетоні проведений на рівні мікро- і макроструктури.

Мікроструктура бетонів представлена структурною неоднорідністю на рівні зерен в’язкого і водою затворювання.

Проведений аналіз показав, що у мікроструктурі бетону на етапах її спонтанної організації, утворюються дискретні структурні елементи із розвинутою мережею міжкластерних поверхонь розділу. Останні спроможні проростати до тріщин, порівнюваних з характерною структурною неоднорідністю, і визначати пошкодження готового матеріалу (цементного каменю) технологічними дефектами.

Міжкластерні поверхні розділу слід, на нашу думку, розглядати як ВПР у мікроструктурі бетону.

Проведений аналіз механізмів спонтанного структуроутворення дозволив запропонувати модель мікроструктури бетону.

Запропонована модель включає структурні блоки, організовані за типом „кластер у кластері” або „структура у структурі”, і ВПР, які представлені міжкластерними поверхнями і берегами технологічних тріщин з різним характером розподілу. Крім того, модель передбачає, що на ВПР присутній шар модифікованого матеріалу, а в об’ємі дискретних структур - пори і капіляри.

Введення у модель мікроструктури ВПР різних типів припускає, що експлуатаційні навантаження будуть сприйматися і розподілятися через ВПР. У силу того, що ВПР є функцією вихідного складу і умов формування структури, то, в залежності від умов експлуатації будівельних конструкцій, слід призначити склади мікроструктури (W/C і кількість та вид цементу) з певним розподілом ВПР.

Макроструктура бетонів на щільних і пористих заповнювачах представлена структурною неоднорідністю типу „матриця – заповнювачі”.

Проведений аналіз макроструктури бетону і механізмів її формування дозволяє зробити висновок, що у бетоні, як матричному композиційному матеріалі, всі компоненти несуть відповідальність при формуванні структури і службових властивостей готового матеріалу. Відмітною характеристикою бетонів можна вважати утворення ВПР одночасно із утворенням бетонних сумішей. Таким чином, загальна площа поверхонь ВПР із врахуванням рельєфу заповнювачів, самі заповнювачі і матричний матеріал можна вважати вихідними даними, що визначають наступні процеси їх взаємодії. З метою виявлення впливу орієнтування і форми рельєфу заповнювачів на розподіл внутрішніх деформацій був застосований графо-аналітичний метод, рис. 3.

Аналіз показав, що у випадку зміни орієнтування заповнювачів, форма яких відрізняється від кола для пласких моделей (шару для просторових моделей) змінюється характер розподілу власних деформацій у твердіючому матеріалі. Це призводить до індивідуальних особливостей формування макроструктури бетону як набору структурних чарунок. Ще більше проявляється індивідуальність кожної структурної чарунки у випадках зміни рівня адгезії матричного матеріалу до заповнювачів і у випадку зміни рельєфу поверхні заповнювачів.

Рис. 3. Вплив орієнтування та рельєфу поверхні заповнювачів на розподіл деформацій у твердіючому матричному матеріалі:

а – геометричні характеристики моделей структурних чарунок бетону; б, в, г, д – способи орієнтування заповнювачів; е – зміна рельєфу заповнювачів. 1 – матриця; 2 – заповнювачі; 3 – елементарна структурна чарунка бетону; 4 – напрямок локальних деформацій; 5 – епюри локальних деформацій; 6 – напрямок інтегральних деформацій; 7 – епюри інтегральних деформацій

Проведені дослідження механізмів формування макроструктури бетонів показали, що причинами зародження і розвитку дефектів у твердіючому матричному матеріалі, які вироджуються у ВПР чи технологічні тріщини є градієнти деформацій, які залежать від:

– геометричних особливостей макроструктури, які виражаються через кількість, форму, орієнтування і рельєф поверхні великих і дрібних заповнювачів;–

адгезійно-когезійних сил зв’язку на границі розподілу твердіючого матричного матеріалу і заповнювачів.

У макроструктурі бетонів можна виділити характерні типи ВПР і технологічних тріщин:

– тріщини зчеплення, які можуть виникати по всій поверхні заповнювачів і які можна представити як ВПР і тріщини зчеплення, які проходять тільки по окремим ділянкам поверхні;–

тріщини у матричному матеріалі, які починають свій розвиток з берегів тріщин зчеплення (ВПР) і розвиваються у периферійні області матриці (у випадку, якщо вони замикаються на берегах інших тріщин, їх слід трактувати як ВПР);–

тріщини у матричному матеріалі, які з’являються між поряд розміщеними заповнювачами, що можуть замикатися на берегах інших тріщин (ВПР) або бути незавершеними у своєму розвитку.

Сумарні кількості ВПР і технологічних тріщин визначають гетерогенність макроструктури і, в залежності від зовнішніх впливів, її здатність сприймати і перерозподіляти виникаючі напруги без зміни свого функціонального призначення. Наявність технологічних тріщин, незавершених у своєму розвитку і поля залишкових деформацій створюють передумови внутрішнього комфортного перевлаштування з переходом від тріщини як концентратора напруг до ВПР як диссипатора енергії зі збереженням заданих властивостей у потрібному діапазоні.

У четвертому розділі наведені дані про вплив складу на стійкість бетону при імпульсних навантаженнях.

В силу того, що запропонована модель структури бетону передбачає певний розподіл ВПР та технологічних тріщин ще до прикладання зовнішніх навантажень, то виникла необхідність аналізу механізмів руйнування гетерогенних матеріалів. Проведений аналіз не дозволив виявити даних про вплив залишкових (локальних та інтегральних) деформацій на розвиток тріщин в гетерогенних матеріалах, про поведінку тріщин, які замикаються на берегах інших тріщин. В динамічній механіці руйнування введені допоміжні коефіцієнти напруг для старту, зупинки, розгалуження та критичного розвитку тріщин. Для самих простих випадків в достатньо однорідних матеріалах динамічний коефіцієнт напруг в 2,4 рази вищий, ніж статичний. При цьому виникаюче хвильове поле викликає таке збурення, що всі аналітичні залежності перестають бути справедливими. Це спонукало описати руйнування гетерогенного матеріалу, в якому пристуні такі структурні параметри, як ВПР та технологічні тріщини, на якісному рівні. В силу того, що імпульсні навантаження, яким притаманна висока енергія, передаються тріщинам самого великого масштабного рівня, при аналізі слід обмежитися розглядом змін пошкоджуваності на рівні макроструктури бетону. Проведений аналіз для різних ситуацій розподілу ВПР та технологічних тріщин дозволив встановити:

- удар викликає появу тріщин, які на початковому етапі нечутливі до структурних особливостей матеріалу і проходять через матричний матеріал і заповнювачі. По мірі росту тріщини її енергія знижується і вона починає взаємодіяти з елементами структури з подальшою зупинкою на заповнювачах, ВПР або берегах технологічних тріщин. Це викликає локальну зміну пошкодженості матеріалу;

- ВПР здатні сприймати і перерозподіляти ударні навантаження. При цьому вони викликають ріст технологічних тріщин з їх переходом до рангу експлуатаційних, стають частиною тріщин руйнування і трансформуються у нові ВПР, що веде до зміни пошкодженості матеріалу з кожним циклом ударних навантажень;

- характер розподілу технологічних тріщин у макроструктурі бетону визначає їх розвиток під дією ударних навантажень до тріщин руйнування. В силу того, що розподіл ВПР і технологічних тріщин руйнування залежать від геометричних характеристик макроструктури кількості і якісного складу заповнювачів і рівня взаємодії твердіючого матричного матеріалу із заповнювачами, то можна підсумувати, що, змінюючи такі структурні параметри як ВПР і технологічні тріщини, можна підвищувати опір бетону ударним навантаженням.

Проведений аналіз досліджень дозволив запропонувати модель структури бетону, яка включає у себе ВПР і технологічні тріщини різних видів і характерів розподілу. Виділення ВПР і технологічних тріщин у самостійні структурні параметри пов’язане з їхньою здатністю, у значній мірі, визначати збереження стабільності властивостей матеріалу при змінюваних умовах його роботи. Аналіз дозволив намітити шляхи отримання бетонів із регулюючими структурними параметрами з метою підвищення його стійкості в екстремальних умовах експлуатації.

При подальших експериментальних дослідженнях з метою керування характером розподілу технологічних тріщин та ВПР змінювали геометричні параметри макроструктури (форму зерен великих заповнювачів та їх кількість) та властивості розчинової частини шляхом зміни співвідношення цементу та піску і W/C. Кількість заповнювачів (гравію або щебеню) змінювалась від 750 до 1550 кг/м3, що дозволило змінювати відстань між сусідніми заповнювачами від 6 до 0,7 мм. При цьому повна внутрішня поверхня великих заповнювачів змінювалась більш, ніж у 3 рази. Це дозволило міняти залишковий деформативний стан бетону та розподіл технологічних тріщин і ВПР, що позначилось на його ударній стійкості. На рис. 4 представлені експериментальні дані впливу кількості піску, цементу, W/C та типу заповнювачів на ударну міцність бетонів.

Рис.4 Вплив складу бетону на його ударну міцність

I –вплив кількості піску;

II –вплив W/C

III –вплив кількості цементу

а- бетон на гравії; б-бетон на щебені

Встановлено, що ударна стійкість бетонів знижується при збільшенні повної та капілярної пористості.

Проведений комплекс експериментальних досліджень підтвердив, що до важливих факторів, які в значній мірі визначають протистояння імпульсним навантаженням, слід віднести макроструктурні параметри (ВПР, локальні та інтегральні спадкові деформації, початкові тріщини). Для всіх досліджених бетонів характерне зниження ударної стійкості при використанні заповнювачів з розвиненим мікрорельєфом поверхні. Попередній аналіз показав, що в зоні зміни геометричних характеристик поверхні розвиваються та концентруються в твердіючому матричному матеріалі локальні деформації. Накладання на поле таких залишкових деформацій ударної хвилі, викликаної імпульсним навантаженням, веде до концентрації деформацій в локальних зонах до критичних величин, що викликає порушення цілісності матричного матеріалу. Так як накопичення мікротріщін відбувається на границі матриці з поверхнею заповнювачів, то це може призвести до виключення з роботи системи “матриця + заповнювач”. Подальші ударні навантаження, як показав аналіз, призводять до підростання та з’єднання мікротріщин до тріщин руйнування, що, у підсумку, веде до загального зниження стійкості бетону.

Експериментальні дослідження показали, що ударна міцність бетону кореляційно зв’язана з міцністю на розтяг та динамічним модулем пружності. Це може бути пов’язано з тим, що міцність на розтяг та динамічний модуль пружності найбільш чутливі до структурних змін, які відбуваються за разунок змін пошкодження бетону експлуатаційними тріщинами.

Підтвердилось припущення, що характер розподілу ВПР та технологічних тріщин залежить як від геометричних характеристик макроструктури, так і від якісного та кількісного складів матричного матеріалу. Кінетика набору міцності та розвитку власних об’ємних змін тужавіючого в’яжучого в значній мірі визначають взаємодію із заповнювачами і, в підсумку, - кількість і розподіл виділених структурних параметрів. Досліди показали, що зміна W/C та кількості цементу, як факторів керування властивостями тужавіючого і кінцевого матеріалу, веде до зміни ударної стійкості бетону. Підвищену стійкість мають бетони з вмістом цементу Ц = 350 кг/м3 та W/C = 0,40...0,45 (в рамках наших дослідів). Таким чином, міняючи вид, кількість заповнювачів, вміст цементу та W/C, можна в широкому діапазоні змінювати ударну стійкість бетонів.

У п’ятому розділі наведені дані про застосування штучних нейронових сіток (ШНС) для прогнозування змін властивостей бетону при ударному навантаженні.

Представлені залежності між надійністю на стиск Rb, розтяг Rp, удар EA і динамічним коефіцієнтом пружності Ecmd бетонів, які вирахувано за допомогою комп’ютерної програми NHK із власними модифікаціями. У якості даних введено у сітку міцності бетонів дані, представлені у таблицях попередніх розділів. Аналізувалися бетони з різними заповнювачами з W/C = 0,4...0,7.

Для розрахунків застосовано программу Сітка NHK, яка базується на наступній моделі нейтрону, рис. 5.

Наведені розрахунки дозволили отримати залежності між випробуваними властивостями бетону, рис. 6.

Із отриманих даних витікає, що разом з підвищенням міцності на стиск, розтяг і динамічним модулем пружності підвищується міцність на удар. При цьому залежність Rb від EA описується більш складним протіканням кривої багаточлена, що може доводити слабку залежність між тими самими міцностями. На основі виміру статичних міцностей і Ecmd можна передбачити міцність на удар за допомогою отриманих залежностей. Кращі результати отримано між Ecmd, Rp і EA.

Штучні нейронні сітки (ШНС) можуть застосовуватися у інженерній практиці при проектуванні конструкційних елементів, в умовах ударних навантажень. Вони полегшують швидкий вибір міцності бетону в залежності від умов експлуатації конкретної конструкції.

У шостому розділі наведені дані про вплив середовища експлуатації на ударну стійкість бетону.

Як відомо, матеріал будівельних конструкцій за час експлуатації сприймає нарівні із зовнішнім силовим навантаженням ще й вплив навколишнього середовища. Періодична зміна вологості та температури приводить до знакоперемінних деформацій матеріалу, що, на думку фахівців, викликає зниження властивостей бетону і скорочення термінів експлуатації. Основними чинниками перерозподілу власних деформацій при зміні вологості та температури слід вважати ВПР та технологічні тріщини. Якщо при дії тільки ударних навантажень перевагу у розвитку мають тріщини співрозмірні з неоднорідністю “матриця – заповнювач”, то при розвитку власних деформацій тріщини та ВПР на всіх рівнях неоднорідностей здатні розвиватися. Це зумовило провести аналіз механізмів руйнування бетонів, як матеріалів, організованих по типу “структура в структурі” при їх зволоженні, нагріванні та багатоцикловому заморожуванні та відтаюванні при одночасній дії імпульсних навантажень.

Проведений аналіз механізмів руйнування грубогетерогенних матеріалів при зміні їх об’ємів під дією середовища експлуатації показав, що на виділених рівнях структурних неоднорідностей відбувається трансформація ВПР і технологічних тріщин у експлуатаційні ВПР і тріщини (рис. 7). Багаторазові зміни об’ємів окремих компонентів і структур можуть викликати проростання тріщин із одного рівня структурних неоднорідностей на другий, що визначає початок процесу руйнування матеріалів, організованих за типом „структура в структурі”. Характер розвитку експлуатаційних тріщин на рівні структурної неоднорідності „матричний матеріал – заповнювачі” залежить від характеру розподілу ВПР і технологічних тріщин, які, у свою чергу, визначаються геометричними параметрами макроструктури і рівнем взаємодії твердіючого матричного матеріалу із заповнювачами. Характер розвитку визначає кінетику розвитку експлуатаційних тріщин, співмірних з найкрупнішою структурною неоднорідністю, що визначає початок процесу руйнування грубогетерогенних матеріалів. Виникнення експлуатаційних тріщин, співмірних з характерними структурними неоднорідностями під дією середовища експлуатації припускає, що саме ці тріщини повинні розвиватися у першу чергу при дії на матеріал силових навантажень.

Рис. 5. Модель штучного нейрону та загальна схема

обчислювання: а – модель нейрону; б – схема розрахунку

Рис. 6. Залежності між ударною міцністю ЕА та властивостями бетонів (Rb, Rp, Еcmd)

на різних заповнювачах

Це визначило завдання наступних досліджень у вивченні впливу середовища експлуатації, які пов’язані з підвищеними температурою і вологістю, на стійкість бетонів при ударних навантаженнях.

Проведений аналіз механізмів руйнування грубогетерогенних матеріалів при зміні їх об’ємів під дією середовища експлуатації показав, що на виділених рівнях структурних неоднорідностей відбувається трансформація ВПР і технологічних тріщин у експлуатаційні ВПР і тріщини (рис. 7). Багаторазові зміни об’ємів окремих компонентів і структур можуть викликати проростання тріщин із одного рівня структурних неоднорідностей на другий, що визначає початок процесу руйнування матеріалів, організованих за типом „структура в структурі”. Характер розвитку експлуатаційних тріщин на рівні структурної неоднорідності „матричний матеріал – заповнювачі” залежить від характеру розподілу ВПР і технологічних тріщин, які, у свою чергу, визначаються геометричними параметрами макроструктури і рівнем взаємодії твердіючого матричного матеріалу із заповнювачами. Характер розвитку визначає кінетику розвитку експлуатаційних тріщин, співмірних з найкрупнішою структурною неоднорідністю, що визначає початок процесу руйнування грубогетерогенних матеріалів. Виникнення експлуатаційних тріщин, співмірних з характерними структурними неоднорідностями під дією середовища експлуатації припускає, що саме ці тріщини повинні розвиватися у першу чергу при дії на матеріал силових навантажень. Це визначило завдання наступних досліджень у вивченні впливу середовища експлуатації, які пов’язані з підвищеними температурою і вологістю, на стійкість бетонів при ударних навантаженнях.

З метою перевірки впливу вологості і високої температури приготовано 5 серій пробних зразків з двома типами заповнювача (гравійний і щебеневий) і зі змінюваним W/C. Зразки зберігалися у воді і нормованих умовах (t = 18єC ? ц = 90%) протягом 29 і 90 днів.

Зміни міцності на стиск Rb, удар EA і динамічний модуль пружності Ecmd зразків, які зберігаються у воді, а пізніше висушені при t = 100єC, ?изначено на основі коефіцієнта розм’якшення: k = Rwb/Rsa; k2 = Ewa/Esa; k3 = Ewcmd/Escmd.

Вплив високої температури на зміни Rb, EA, Ecmd визначено на стандартних зразках, які зберігаються протягом 2 годин при температурі t = 200ч700єC ? далі охолоджених струменем повітря. Отримані зміни міцності при впливові температури представлено у таблиці.

Рис. 7. Розподіл деформацій на ВПР при зміні об’єму мікроструктури матеріалу

а – фрагмент блочної будови мікроструктури, б – розподіл деформацій у структурі блоку, в, г – розподіл деформацій на ВПР при зменшенні і збільшенні об’єму структурного блоку, д – характер утворення новиї ВПР у структурних блоках; 1 – структурні блоки різного масштабного рівня, 2 – ВПР, 3 – технологічні тріщини, 4 – напрямок усадочних деформацій, 5 – характер зміни ВПР при зменшенні об’єму блоку, 6 – характер зміни ВПР при збільшенні об’єму матеріалу

Таблиця

Вплив температури на зміну властивостей бетонів

Темп.[C] | Міцність

[Mpa], [MN/m2],[Nm] | Позначення зразків

1BЇ – 0,40 | 1BW – 0,40

100 | Rb | 45,1 | 38,8

Ecmd | 43021 | 37115

EA | 1988,0 | 1495,0

200 | Rb | 46 | 42,6

Ecmd | 43801 | 39965

EA | 2005,0 | 1542,0

300 | Rb | 42,1 | 39,7

Ecmd | 41069 | 38010

EA | 1609,2 | 1328,0

400 | Rb | 38 | 34,9

Ecmd | 36989 | 33031

EA | 1201,2 | 1020,1

500 | Rb | 29,2 | 27

Ecmd | 24680 | 22851

EA | 796 | 700,2

600 | Rb | 20,0 | 18,1

Ecmd | 17856 | 13923

EA | 605,0 | 443

700 | Rb | 15,6 | 14,2

Ecmd | 11483 | 10621

EA | 350,8 | 308,1

Вплив перемінного заморожування і розмерзання досліджено за допомогою стандартних зразків, які після насичення водою охолоджувались протягом 4 годин при t = -20?C і далі розмерзалися у воді протягом 4 годин при t = 18?C. Далі визначено зниження Rb, Ecmd, Ea по відношенню до не заморожених зразків. Дослідження проводилися для бетонів з 2 типами заповнювачів (гравійним і щебеневим) і W/C у межах 0,4?0,7.