Белгород, Белгородская область, Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Предложена научно-обоснованная методика, учитывающая увеличение прочности цементного бетона со временем, что влияет на величину предела его длительного сопротивления разрушению, а конкретно, приводит к снижению относительного предела длительной прочности. Это объясняется тем, что при загружении бетона постоянной нагрузкой в раннем возрасте процесс упрочнения материала превалирует над процессом разрушения, что сказывается на относительном пределе длительной прочности бетона.
методика, прочность, предел длительной прочности, бетон, работа, скорость приложения нагрузки, длительность испытания, сопротивление разрушению
Для обеспечения долговечности железо-бетонных конструкций очень важно уметь достоверно определять, осуществлять систематический контроль и надежно использовать прочность бетона в конструкциях, эксплуатирующих при воздействии различных режимов нагрузки и условиях окружающей среды. Предлагается сравнительно простая методика определения прочности бетона, отражающая влияние режима и условий испытания его на прочность. В основу методики положен энергетический подход к оценке потенциальных возможностей бетона, когда его несущая способность определяется количеством работы, которая необходима для разрушения материала единичного объема (предел технических возможностей бетона) [1–7], определяемая по формуле:
. (1)
При наличии конкретной зависимости R‒ε
Aр = ηRпрεр (2)
где Rпр ‒ призменная прочность при стандартном испытании; εр ‒ относительная полная разрушающая деформация образца, которую он претерпевает при Rпр; η ‒ коэффициент, характеризующий отношение площади под диаграммой «нагрузка‒деформация» к площади прямоугольника со сторонами Rпр и εр. Для удобства в расчетах η принимается равным единице, что не сказывается заметно на конечных результатах при определении относительных величин прочности.
Как подтверждают многочисленные экспериментальные данные (табл. 1 [4, 5], табл. 2 [9], табл. 3 [10], табл. 4 [11], табл. 5 [12], табл. 6 [13]), Ар является строго определенной и постоянной для данного конкретного вида, состава бетона и вида напряженного состояния при условии отсутствия упрочнения его во времени и не зависит от режима испытания образцов. Ар всегда можно определить при наличии зависимости R‒ε, полученной при стандартном режиме испытания призм.
Если знать, как изменяется величина полной относительной деформации бетона в зависимости от длительности приложения нагрузки, т.е. зависимость его прочность можно всегда рассчитать по выражению
(3)
Правильность такого подхода к определению прочности бетона при различной длительности испытания образцов продемонстрирована на рис. 1, из которого видно, что результаты расчета Rt по формуле хорошо подтверждаются опытами.
Таблица 1
Результаты испытания керамзитобетонных
призм при различной продолжительности приложения нагрузки
|
Длитель-ность испыта-ний, мин |
Rпр, МПа |
εр×105 |
Ар= Rпрεр, Дж |
Макси-мальная разница, % |
|
15 60 150 |
17,1 16 15,6 |
244 240 264 |
0,042 0,038 0,041 |
5 |
Таблица 2
Влияние скорости нагружения на свойства бетона и раствора
|
Материал |
Скорость нагружения, МПа/мин |
Rпр, МПа |
εр×105, при R=0,9Rпр |
εр×106, найденное по экстраполяции |
Ар= Rпрεр, Дж |
Максимальное отклонение, % |
|
Тяжелый бетон на гравии (Ц= 350кг/м3, В/Ц=0,53) |
0,052 2,17 |
14,18 15,0 |
865 830 |
1060 990 |
0,015 0,0148 |
1,4 |
|
Керамзитобетон |
0,07 2,0 |
15,35 16,45 |
1325 1275 |
1650 1475 |
0,0253 0,0242 |
4,5 |
|
Цементный раствор |
0,1 2,0 |
23,0 26,6 |
1620 1520 |
2050 1950 |
0,047 0,052 |
11 |
|
Тяжелый бетон |
0,1 2,0 |
23,1 25,4 |
840 820 |
1030 1000 |
0,0238 0,0254 |
7 |
|
Пемзобетон |
0,047 0,693 |
6,57 6,96 |
1300 1340 |
1600 1620 |
0,0105 0,0112 |
6,5 |
|
Туфобетон |
0,037 0,67 |
12,26 12,53 |
2577 2520 |
3050 2900 |
0,0375 0,0365 |
3 |
Таблица 3
Результаты испытания растворных балочек 4×4×30 см на изгиб
|
№ п/п |
Rизг, МПа при скорости нагружения, МПа/с |
Прогибы в мм при скорости нагружения, МПа/с |
Ар=Rизгf, Дж, при скорости нагружения, МПа/с |
||||||
|
200 |
0,1 |
0,001 |
200 |
0,1 |
0,001 |
200 |
0,1 |
0,001 |
|
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
6,15 6,1 6,05 5,5 7,0 5,4 7,2 7,2 5,8 |
5,15 5,0 5,3 4,5 5,65 4,55 5,6 6,2 5,15 |
4,8 4,55 5,15 4,0 5,05 4,25 5,0 5,7 5,0 |
0,04 0,048 0,042 0,03 0,055 0,04 0,06 0,048 0,039 |
0,052 0,06 0,05 0,041 0,073 0,051 0,09 0,061 0,046 |
0,058 0,068 0,053 0,046 0,086 0,056 0,11 0,069 0,049 |
0,394 0,47 0,405 0,264 0,62 0,345 0,69 0,55 0,36 |
0,427 0,48 0,423 0,295 0,66 0,37 0,8 0,6 0,375 |
0,445 0,495 0,436 0,294 0,69 0,38 0,88 0,63 0,39 |
|
Сред-нее значение |
6,3 |
5,23 |
4,83 |
0,0447 |
0,0582 |
0,066 |
0,45 |
0,49 |
0,51 |
Таблица 4
Результаты испытания газобетона на сжатие
|
Скорость нагружения, МПа/с |
Rпр, МПа |
εрх103 |
Ар= Rпрεр, Дж |
|
0,1 0,05 0,025 0,001 |
5,9 5,5 5,85 4,95 |
2,6 2,2 2,6 3,0 |
0,0154 0,0121 0,0152 0,0149 |
Таблица 5
Результаты испытания различных видов полимербетона на сжатие
|
Материал |
Ар в Дж при режиме нагружения |
Отклонение результатов, % |
|
|
Кратковременное нагружение со скоростью 60 МПа в мин |
Длительное действие постоянной нагрузки, превышающей Rдл |
||
|
ФА ФА-д ФАМ ФАМ-д |
0,21 0,25 0,36 0,34 |
0,192 0,295 0,33 0,39 |
9 18 8 15 |
Таблица 6
Результаты испытания тедзамитобетона на сжатие
|
Скорость нагружения, МПа/с |
Rпр, МПа |
εр×103 |
Ар= Rпрεр, Дж |
Максимальное отклонение, % |
|
0,13 925 |
18 22,5 |
278 240 |
0,05 0,054 |
8 |
Рис. 1. Расчетная зависимость относительной прочности керамзитобетона от продолжительности
испытания образцов (по предлагаемой методике):
× – опытные данные авторов; ● ‒ данные [14]; ∆ ‒ данные [15]; ○ ‒ данные [16]
Зависимость для каждого конкретного бетона предлагается определять по следующей методике.
Бетонные призмы загружаются постоянной нагрузкой, равной примерно (0,8...0,85)Rпр на обычных прессах и выдерживаются в течение 10...20 мин. При этом замеряются деформации призм как сразу после нагружения, так и в течение 10...20 мин. Строится зависимость в обычных и логарифмических координатах (рис. 2, 3).
Рис. 2. Изменение относительной деформации керамзитобетона (1) и тяжелого бетона (2) со временем при постоянном R = 0,8Rпр
Рис. 3. График изменения относительных
деформаций образцов в зависимости от длительности их испытаний (в логарифмических координатах). Опытные значения деформаций
при R = 0,8Rпр:
1 ‒ для керамзитобетона; 2 – для тяжелого бетона. Расчетные значения разрушающих деформаций:
1′ – для керамзитобетона; 2′ – для тяжелого бетона
Аналогичный принцип положен в основу методики определения предела длительной прочности бетона.
В данном случае удобно рассмотреть поведение под нагрузкой полимербетона (табл. 5). На рис. 4 представлена зависимость R‒ε, полученная при кратковременном и длительном испытаниях полимербетона ФА.
По формуле (2):
Аразр = 488×430×10-5 = 0,21 Дж.
Зададимся несколькими значениями R (например, как минимум, тремя - четырьмя) - 10,0; 15,0; 20,0; 21,5 МПа. При принятых значениях R рассчитываем величины А с учетом длительного действия нагрузки:
А1= 100 × 140 × 10-5 = 0,014 Дж,
А2 = 150 × 230 × 10 -5 = 0,0345 Дж,
А3 = 200 × 400 × 10-5 = 0,08 Дж,
А4 = 215 × 490 × 10-5 = 0,106 Дж.
Рис. 4. Зависимость кратковременных (1) и полных (2) относительных деформаций полимербетона от напряжений
На основе полученных данных строим зависимость R‒А (рис. 5), в соответствии с которой расчетная величина Rдл, для полимербетона равна 25,0 МПа или 0,51R, а опытная - 0,5R, т.е. опыт хорошо подтверждает расчет. Упрочнение полимербетона во времени отсутствует, а, следовательно, и работа, необходимая для разрушения материала, является постоянной величиной. В то же время процесс разрушения материала вследствие его ползучести прогрессирует со временем.
А это значит, что при загружении полимербетона (R = 0,5Rпр) он разрушится через весьма длительное время. Если же нагрузка на него будет превышать Rдл, то разрушение наступит в более короткие сроки.
Рис. 5. Зависимость R‒A для полимербетона ФА
Для убедительности длительная прочность определена для различных видов полимербетона (табл. 7).
Таблица 7
Результаты испытания полимербетонов
|
Вид полимербетона |
Rпр, МПа |
Относительные деформации ползучести при R = 0,5Rпр, |
Полные относительные длительные деформации при R = 0,5Rпр, |
Значения Rдл/ Rпр |
|
|
Определены по методике автора |
Опытные |
||||
|
ФА-д ФАМ-д ФАМ ФА |
65,0 96,0 84,6 48,8 |
35 20 85 105 |
125 130 210 230 |
0,71 0,63 0,57 0,51 |
0,6 0,6 0,55 0,5 |
Из табл. 7 видно, что значения Rдл, определенные по вышеизложенной методике, имеют удовлетворительную сходимость с опытными данными.
В соответствии с предлагаемой методикой определяется такой уровень длительной нагрузки (условие А = Аразр), при котором образец разрушится через определенный длительный промежуток времени. Следовательно, относительный предел длительной прочности бетона должен приниматься несколько ниже этого уровня, например для ФАМ‒д (96 МПа) ‒ 0,6; ФАМ (84,6 МПа) ‒ 0,55; ФА (48,8 МПа ) ‒ 0,5 и т.д.
Полимербетон и цементный бетон отличаются только видом вяжущего, что естественно отражается на их свойствах. Но оба материала в принципе не отличаются по структуре, а поэтому физическая сущность процесса разрушения этих материалов едина, как и методика определения предела длительной прочности, что и подтверждают наши эксперименты.
Увеличение прочности цементного бетона со временем учитывается предлагаемой научно-обоснованной методикой и влияет на величину предела его длительного сопротивления разрушению, а конкретно, приводит к снижению относительного предела длительной прочности. Это объясняется тем, что при загружении бетона постоянной нагрузкой в раннем возрасте процесс упрочнения материала превалирует над процессом разрушения, что и сказывается вышеуказанным образом на относительном пределе длительной прочности бетона.
1. Гладков Д.И., Сулейманова Л.А. Поведение бетона под нагрузкой и оценка его потенциальных возможностей // В сб.: Эффективные конструкции и материалы зданий и сооружений. Белгород, БелГТАСМ, 1999. С. 13-21.
2. Гладков Д.И., Сулейманова Л.А. Закономерности сопротивления бетона различным разрушающим факторам // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2003. №5. Ч.1. С. 254-262.
3. Гладков Д.И., Сулейманова Л.А. Прочность - интегральная характеристика бетона // В сб.: Бетон и железобетон в третьем тысячелетии. Р-н/Дону: РГСУ, 2004. Т.2. С. 113-118.
4. Гладков Д.И. Физико-химические основы прочности бетона и роль технологии в ее обеспечении. Белгород: Изд-во БГТУ, 2004. 293 с.
5. Gladkov D.I., Suleimanova L.A., Nesterov A.P. Strengt has an integral haracteristic cofconcrete // Proceedings of the International Conference on Cement Combinations for Durable Concrete 2005 International Congress - Global Construction: Ultimate Concrete Opportunities. Сер. “Cement Combinations for Durable Concrete - Proceedings of the International Conference” sponsors: Institution of Civil Engineers, American Concrete Institute, Japan Society of Civil Engineers, University of Dundee, UK; editors: Dhir R.K., Harrison T.A., Newlands M.D., University of Dundee, Concrete Technology Unit. Dundee, Scotland, 2005. С. 701-707.
6. Сулейманова Л.А., Сулейманов А.Г., Ерохина И.А. Общая закономерность получения материалов с высокими качественными показателями // Проблемы экологии: наука, промышленность, образование: сб. докл. III Междунар. Научн.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ 2006. № 15. С. 155-163.
7. Сулейманова Л.А. Энергия связи - основа конструктивных и эксплуатационных характеристик бетонов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 9. С. 91-99.
8. Сулейманова Л.А. Поведение бетона под нагрузкой, механизм его разрушения и оценка этого процесса // Вестник Белгородского государственного технологического универ-ситета им. В.Г. Шухова. 2016. № 1. С. 68-75.
9. Квирикадзе О.П. О зависимости между деформациями бетона и скоростью нагружения. - Тбилиси, из-во АН ГССР, 1962. 126 с.
10. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементного бетона. Харьков, Изд-во ХГУ, 1965. 136 с.
11. Шкербелис К.К., Калнайс А.А., Тетерс Г.А. Прочность и жесткость армированных элементов из газобетона // Бетон и железобетон. 1960. № 4. С. 185-189.
12. Залан Л.Н. Исследование конструкционных свойств мелкозернистого фурфуролацетонового полимербетона с учетом ползучести. - Воронеж, 1969 г. 14 с.
13. Пирадов А.Б. Конструктивные свойства легкого бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1973. 133 с.
14. Евсеева С.Н. Исследование прочности и деформативности некоторых видов конструк-тивного легкого бетона и его компонентов в интервале скоростей нагружения от статических до динамических. Автореферат дисс. на соис-кание ученой степени кандидата технических наук. (05.23.01) - Ереван, 1974. 28 с.
15. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2002. 500 с.
16. Пирадов К.А. и др. Проблемные вопросы и перспективы физико-химической механики железобетона // Бетон и железобетон. №2. 2000. С. 15-16.
