Механика трещиностойкости высокотехнологичных бетонов


Д. Н. Коротких, Е. М. Чернышов









            МЕХАНИКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ БЕТОНОВ


Монография

Под общей редакцией академика РААСНЕ. М. Чернышова
















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2022

УДК 666.972
ББК 38.3
     К68

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии строительных материалов и деревообработки Пензенского государственного университета архитектуры и строительства Макридин Николай Иванович; академик Российской академии архитектуры и строительных наук, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительных конструкций Национального исследовательского Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева
Селяев Владимир Павлович


     Коротких, Д. Н.
К68       Механика трещиностойкости высокотехнологичных бетонов : моно-
      графия / Д. Н. Коротких, Е. М. Чернышов ; под общ. ред. акад. РААСН Е. М. Чернышова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 208 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0891-2

      Рассмотрены проблемы управления трещиностойкостью современных цементных бетонов в общей проблеме теории и практики механики проявления свойств конгломератных строительных композитов, а также проблема практического получения бетонов с повышенным конструкционным потенциалом. Для типичных структур бетонов дано их соотнесение с концептами управления сопротивлением разрушению, основными парадигмами формирования структуры, принципами и технологическими решениями, образующими современную технологическую платформу производства высококачественных цементных бетонов с модифицированными структурами. Определяющее внимание в монографии уделено проблеме разрешения противоречия между достигаемым в современных технологиях повышением прочности и наблюдаемым при этом относительным понижением трещиностойкости материала.
      Для специалистов и технологов, связанных с проектированием, производством и эксплуатацией бетонных и железобетонных конструкций, зданий и сооружений. Может быть полезно студентам строительных специальностей.

УДК 666.972
ББК 38.3

ISBN 978-5-9729-0891-2   © Коротких Д. Н., Чернышов Е. М., 2022
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            СОДЕРЖАНИЕ



    Предисловие...............................................5

    Введение..................................................8


    Глава 1. Структурный подход к проблеме управления трещиностойкостью бетонов......................................10

    1.1.     Трещиностойкость, как категория, определяющая конструкционный потенциал бетонов..............................................10

    1.2.     Эволюция научно-инженерных подходов в проблеме формирования структуры высокопрочных бетонов. Парадигмы, принципы и технологические платформы формирования эффективных структур высокопрочных цементных бетонов  20

1.3.    Структурные группы бетонов. Идентификация структуры бетонов как объекта исследования и управления..........................29

    1.4.     Взаимосвязь диссипации, локализации и концентрации напряжений в бетоне с параметрами его структуры: общие модели.............34

Глава 2. Характеристика трещиностойкости структурных групп бетонов как кинетического процесса.............................52

    2.1.     Обоснование экспериментальных методов комплексной оценки показателей трещиностойкости бетонов...........................52

    2.2.     Характеристика процессов деформирования и трещиностойкости структурных групп бетонов (полные равновесные диаграммы деформирования; процесс накопления повреждений; вязкость разрушения и трещиностойкость; активные зоны диссипации энергии при деформировании; комплексная оценка сопротивления разрушению бетонов на момент начала эксплуатационного цикла и взаимосвязь показателей сопротивления разрушению и параметров структуры бетонов).............................................67

    2.3.     Определяющие закономерности и противоречия трещиностойкости бетонов I-IV-й структурных групп: основные обобщения...........99

    Глава 3. Управление трещиностойкостью современных цементных бетонов..............................................110


3

3.1.     Определяющие принципы и технологические условия управления трещиностойкостью современных цементных бетонов................110

    3.2.     Модель многоуровневого трещинообразования в структуре бетонов и концепция многоуровневого дисперсного их армирования.........114

    3.3.     Результаты реализации принципов и технологических условий управления трещиностойкостью на примере бетонов рядовой прочности и высокопрочных бетонов........................................121

    3.3.1.    Трещиностойкость мелкозернистых бетонов I-й структурной группы с многоуровневым дисперсным армированием (I+)...........121

    3.3.2.    Характеристика процессов деформирования и трещиностойкости бетонов V-й (IV+) структурной группы...........................134

Глава 4. Интегральная сопоставительная оценка эффективности современных бетонов............................................148

4.1.     Трещиностойкость бетонов на момент начала эксплуатационного цикла    148

4.2.     Трещиностойкость бетонов в условиях температурного стимулирования развития структуры их цементной матрицы.........156

4.3.     Трещиностойкость бетонов при изменении влажностного состояния их структуры...................................................165

Заключение.................................................171

Список литературы..........................................175


4

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Монография посвящена проблемам управления трещиностойкостью современных цементных бетонов. Авторы сочли возможным назвать её «Механика тре-щиностойкости высокотехнологичных бетонов». И это требует определённых пояснений.
    Понятие трещиностойкости является ключевым в характеристике сопротивления конструкционных материалов, каковым является бетон, разрушению. Более того, это, можно сказать, интегрирующее понятие, поскольку оно отражает существо проявления бетонами работоспособности, долговечности и надежности в строительных конструкциях. Действительно, исчерпание потенциала сопротивления материалов и конструкций разрушению начинается с момента зарождения в их структуре нано-, микродефектов (физика разрушения) и последующего преобразования их в трещины (механика разрушения).
    Практически все конструкционные материалы по типу своего разрушения относятся к хрупким, обладая большей или меньшей мерой хрупкости, то есть большей или меньшей склонностью к образованию в них трещин. Не случайно поэтому существует понятие «предел трещинообразования». В теории расчета строительных конструкций используются определения «первой» и «второй» группы предельных состояний. И та и другая группа фактически соотносятся с явлениями трещинообразования в материалах при их силовом нагружении и деформировании.
    Существующее в практике феноменологическое рассмотрение трещиностойкости, применимое и, более того, удобное для построения моделей механики конструкционных материалов, на современном этапе развития их материаловедения и технологии должно смениться системно-структурными представлениями о существе и параметрах таких моделей. Именно в особенностях состава, структуры и состояния материалов заложена природа качественной и количественной реализации трещиностойкости.
    Данная монография, как раз, связана с рассмотрением проблемы трещиностойкости именно в такой постановке и её (монографии) содержание отвечает структурным факторам управления трещиностойкостью в общей проблеме теории и практики механики проявления свойств конгломератных строительных композитов. Отсюда вытекает краткое название монографии «Механика трещиностойкости высокотехнологичных бетонов».
    Обратим внимание на то, что ключевым в названии является словосочетание «высокотехнологичные бетоны». И это объяснимо, поскольку современные цементные бетоны обладают специфическими и уникальными структурами, что является следствием высоких технологий их получения, предусматривающих применение многокомпонентных по составу смесей с повышенной дисперсностью частиц не только цемента, но и заполнителей, и наполнителей, и микронаполнителей при одновременном физико-химическом и механо-химическом модифицировании процессов структурообразования цементного камня. Все это приводит к тому, что рождаются структуры исключительно высокой прочности, но в тоже время и

5

высокой энергетической неравновесности по отношению к действию физико-механических и физико-климатических факторов эксплуатационной среды.
    В современной технологической практике бетонов достигнуты новые высокие уровни пределов прочности при сжатии. При этом диаграммы деформирования могут отличаться повышенной долей упругой составляющей при относительно малой доле вязкой и пластической составляющих. Это является отражением, своего рода, «охрупчивания структур» высокотехнологичных бетонов и может предопределять в целом относительно более низкую трещиностойкость структур. Именно относительную, а не абсолютную, которая при переходе от бетонов с традиционной структурой к бетонам с современной структурой принципиально сопровождается повышением трещиностойкости, но не в такой степени, как повышение прочности.
    Данное противоречие оказывается в значительной мере «моментом истины» современных технологий бетонов, что и предопределяет актуальность рассматриваемой в монографии проблемы практического получения бетонов с повышенным конструкционным потенциалом.
    В целом проблемы материаловедения и технологии трещиностойких современных цементных бетонов обсуждаются в новой постановке. Это касается концептуальной, методологической и содержательной стороны проблемы, ее теоретических оснований, а также методического обеспечения экспериментальных исследований и идентификации определяющих характеристик и параметров сопротивления разрушению, включая, в первую очередь, трещиностойкость.
    Комплексное сочетание методов получения полных равновесных диаграмм деформирования, акустической эмиссии, лазерной голографической интерферометрии при одновременном контроле состава, структуры и состояния новообразований цементного камня, цементного микробетона и самого бетона позволило впервые получить системную информацию, обеспечивающую возможности более глубокого анализа причинно-следственных отношений в системе «состав-струк-тура-состояние-свойства».
    На основе принятого системно-структурного методологического и высокого методического уровня постановки экспериментов удалось рассмотреть диапазон структур современных бетонов от классических традиционных с прочностью 30-40 МПа до высокотехнологичных с прочностью 130-150 МПа. При этом весь интервал механики свойств, механики трещиностойкости дифференцирован и представлен четырьмя типичными структурами, включающими структуры крупнозернистые, мелкозернистые и наномикрозернистые. Для типичных структур дано их соотнесение с концептами управления сопротивлением разрушению, основными парадигмами формирования структуры, принципами и технологическим решениями, образующих современную технологическую платформу производства высококачественных цементных бетонов с модифицированными структурами.
    Таким образом, определяющее внимание в монографии уделено проблеме разрешения противоречия между достигаемым в современных технологиях повышением прочности, и наблюдаемым при этом относительным понижением трещиностойкости материала. С учетом этого авторы обращаются к возможностям разрешения противоречия при управлении трещиностойкостью посредством регули-6

рования параметров структуры твердой фазы, порового пространства, посредством многоуровневого дисперсного армирования и наномодифицирования системы твердения бетонов как композиционного материала. Как показано в монографии, это приводит к принципиальным положительным изменениям уровня трещино-стойкости современных цементных бетонов не на «проценты», а «в разы».

    Академик Е. М. Чернышов.

7

            ВВЕДЕНИЕ



    Формирование структуры современных высокотехнологичных бетонов, отличительными признаками которых являются более высокая дисперсность зернистых компонентов, повышенные значения площадей поверхности раздела фаз, существенно увеличенное число физических и физико-химических контактов в единице объема материала, возросшая плотность, преобладание мелко- и скрытокристаллических сростков новообразований, создает противоречивую ситуацию, в которой, с одной стороны, сформированная структура обеспечивает возрастающую прочность материала при сжатии, а с другой стороны, - делает его относительно хрупким и менее трещиностойким.
    Трещиностойкость структуры современных бетонов, как комплексная категория сопротивления разрушению, является главным критерием их эффективности, поскольку явление разрушение, по сути, определяется процессом развития трещин в структуре материала. Категория трещиностойкость для бетонов раскрывается в виде совокупности показателей сопротивления разрушению, характеризующих это сложное явление не только как конечный акт, но и как кинетический процесс деформирования и накопления повреждений в структурированной системе материала. В такой постановке «проблемы трещиностойкости бетонов» принципиальное положение и первостепенное методологическое значение приобретает структурный подход. Из этого следует, что актуальность исследований и их содержание предопределяется необходимостью рассмотрения механизма разрушения цементных бетонов, закономерной роли их состава и структуры в реализации этого механизма, обоснования на базе учета механизма разрушения возможных принципов управляющего воздействия на показатели сопротивления разрушению, разработки технологических приемов оптимизации состава и структуры материалов при обеспечении требуемого уровня их конструкционного потенциала и прежде всего трещиностойкости.
    Практическая значимость разработок определяется не только интересами материаловедов-технологов при решении задач синтеза и конструирования структур высокопрочных бетонов и разработке соответствующих технологических условий их производства, но и потребностями расчетчиков-конструкторов для учета особых закономерностей поведения таких бетонов под нагрузкой и во времени.
    Особо необходимо отметить, что на современном этапе развития технологии бетона, требуют систематизации знания и инженерные решения по обеспечению технологических условий получения эффективных высокопрочных цементных бетонов с модифицированной структурой. С учетом сказанного в монографии современные цементные бетоны рассматриваются группами, классифицированными по признаку прочности при сжатии. При этом каждая группа характеризуется типизированной структурой и описывается необходимым комплексом структурных параметров и показателей.
    Основания для систематизации и формирования современных подходов к задачам синтеза и конструирования структур высокопрочных бетонов дает

8

развивающееся понимание природы и механизмов разрушения композитных конгломератных систем, каковыми являются бетоны. И в этой связи в первую очередь имеются в виду работы Б. Г. Скрамтаева, В. В. Михайлова, А. А. Гвоздева, И. Н. Ахвердова, Ю. М. Баженова, Р. И. Будештского, С. С. Гордона, А. Е. Де-сова, Ю. В. Зайцева, А. Е. Шейкина, И. М. Грушко, И. А. Рыбьева, Г. И. Горчакова, И. А. Иванова, П. Г. Комохова, А. Ф. Щурова, Н. И. Макридина, Г. В. Не-светаева, В. И. Калашникова, Ю. В. Пухаренко, В. И. Соломатова, В. П. Селяева, Н. И. Карпенко, В. В. Белова, В. П. Ярцева.
    Авторы выражают благодарность коллегам проф. Т. К. Акчурину, канд. техн. наук А. В. Ушакову (Волгоградский ГТУ), канд. техн. наук А. Г. Кесарийскому (ООО «ЛКТ»», Украина), канд. техн. наук И. И. Ушакову (Воронежский ГТУ), коллективам Высшей школы строительного материаловедения, кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций Воронежского государственного технического университета.

9

ГЛАВА 1



            СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬЮ БЕТОНОВ


        1.1. Трещиностойкость, как категория, определяющая конструкционный потенциал бетонов

    Трещиностойкость структуры современных бетонов, как комплексная категория сопротивления разрушению, является главным критерием их эффективности, поскольку явление разрушение, по сути, определяется процессом развития трещин в структуре материала. Категория трещиностойкость для бетонов раскрывается в виде совокупности показателей сопротивления разрушению, характеризующих это сложное явление не только как конечный акт, но и как кинетический процесс деформирования и накопления повреждений в структурированной системе материала.
    Процесс деформирования и разрушения важно характеризовать именно с учетом определяющей роли структуры материала и, оценивая показатели сопротивления материала разрушению, необходимо четко понимать структурнофизическую природу этого сложного кинетического процесса и использовать это для управления свойствами материала [82, 303-305, 354-355, 359].
    Цементные бетоны как строительные композиты, впрочем, как и любые другие реальные материальные объекты, рассматриваются в работе как открытые неравновесные термодинамические системы, непрерывно обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, что и является движущей силой происходящих в таких системах процессов. При восприятии потока внешней энергии эти процессы регламентируются стремлением системы к уменьшению накапливаемой внутренней энергии путем различных механизмов ее диссипации таким образом, чтобы скорость такого уменьшения была максимальной.
    С этих позиций деформирование и разрушение бетонов представляют собой процессы последовательного преобразования, трансформации энергии внешнего воздействия (механической нагрузки, нагревания, охлаждения, увлажнения, обезвоживания и т. п.) в работу упругого и пластического деформирования системы структурных связей материала, энергию тепловых флуктуаций элементарных частиц (атомов или молекул), поверхностную энергию хрупких трещин. Такой трансформатор обладает определенной энергоемкостью - суммарным потенциалом энергии структурных связей, который формирует теоретическую прочность материала. В реальности затраты энергии на разрушение строительных композитов оказываются значительно ниже величины этой энергоемкости, свидетельством и результатом чего является наблюдаемое несоответствие между значениями теоретической и технической прочности материала [87-89]. Величина этого «разрыва», как раз, и определяется условиями и механизмом


10

трансформации, диссипации энергии внешнего нагружения структурой строительных композитов.
    С учетом этого, разрушение бетонов представляет собой кинетический процесс, состоящий из нескольких стадий: диссипации энергии внешнего силового воздействия по структурным связям и формирования неоднородного по параметрам концентрации и локализации поля внутренних деформаций, термофлуктуационного разрыва структурных физико-химических связей в перенапряженных областях, трещинообразования, накопления повреждений и их прорастания в макротрещину и последующий ее рост.
    В физике диссипация энергии трактуется как переход части энергии упорядоченных процессов (например, кинетической энергии) в энергию неупорядоченных процессов в системах. Если иметь в виду энергию упорядоченного процесса силового воздействия на строительную конструкцию, образованную композитом с определенной структурой, то такой переход будет определяться рассеянием энергии внешнего воздействия по связям структурных элементов композита [354, 358]. Композит с его структурой будет выполнять роль трансформатора [357], то есть преобразователя упорядоченного потока энергии в рассеянный (фрактальный по типу) поток. И в этом смысле композит можно безусловно квалифицировать как диссипативную систему (рисунок 1.1).


Среда, силовое воздействие


        Размещение в ’      Уровень напряжения в
        объеме                  связях

Потенциал сопротивления структуры (конструкции)

Рисунок 1.1 - Локализация и концентрация напряжений как следствие процессов диссипации энергии внешних воздействий в структуре бетона 11

    Преобразование потока в структуре композита как диссипативной системе не может считаться неупорядоченным, поскольку его рассеяние (фрактализация) будет детерминировано структурой с соответствующими ее силовыми связями, которые будут «усваивать» диссипативную энергию, претерпевая нарастание напряжений или, напротив, ослабление в них напряжений и соответствующее деформирование до предельных или не достигающих предела состояний. Диссипация энергии внешнего силового воздействия в структуре композита является средством адаптации состояния (в данном случае напряженно-деформированного состояния) материала к условиям эксплуатационной среды [354].
    Следствием внешнего силового воздействия и соответствующего развития диссипации энергии в структуре композита может стать установление равновесного (точнее квазиравновесного) напряженно-деформированного его состояния с определенными локализацией и концентрации напряжений в структурных связях. Внешним выражением этого на макроуровне окажется формоизменение тела композита; выражением же этого на микроуровне структуры композита будет взаимное смещение элементов структуры, начиная с движения дислокаций в кристаллах, относительного сдвига в контактах дисперсных частиц и кончая образованием (в зависимости от величины внешнего силового воздействия) микро-, мезо- и макротрещин.
    При изменении, например, повышении внешнего силового воздействия до нового уровня установившееся до того равновесие напряженно-деформированного состояния уже не будет когерентным, поэтому и конструкция и композит должны будут перейти в другое состояние. Такой переход будет заключаться в новом этапе диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений, макро-, мезо- и микродеформирования, соответствующего этому дефектообразо-вания. Внешние и внутренние смещения, деформации, в итоге, оказываются по определению критериальными для оценки потенциала силового сопротивления композита как структурированной диссипативной системы [354].
    Вследствие сложной и неоднородной структуры бетона формирующееся в результате диссипации энергии внешнего воздействия поле напряжений также неоднородно [364, 368]. К проявлениям неоднородности в строении композитов следует отнести, в первую очередь, их полимасштабность и гетерогенность: матрица и включения обладают разными физико-механическими свойствами, что сопровождается наличием выраженной границы раздела между ними; при этом матрица - компонент структуры данного масштабного уровня - представляет собой композит меньшего масштабного уровня [356-358]. Включения ориентированы и распределены в матрице, как правило, стохастически, произвольно (это относится, прежде всего, к композитам конгломератного типа), а их характеристики (форма, размер, прочностные и деформативные свойства) обладают вариативностью и диапазоном значений. На неоднородность композитов еще накладывается их технологическая дефектность. Неоднородность обуславливает статистическую природу разрушения композитов, масштабные эффекты в проявлении их свойств [2, 8-9, 12].

12