CC BY
24Сулейманова Л.А., д-р техн. наук, проф.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ЭНЕРГИЯ ВНУТРЕННИХ СВЯЗЕЙ В МАТЕРИАЛЕ - ОСНОВА ЕГО ПРОЧНОСТИ, ДЕФОРМАТИВНОСТИ И СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ РАЗЛИЧНЫМ ФАКТОРАМ
ludmilasuleimanova@yandex.ru
Проведенные исследования расширяют представления об энергии внутренних связей в материале как основе его прочности, деформативности, целостности и сопротивляемости различным факторам (совместному воздействию внешних нагрузок и (или) окружающей среды), о пределах технических возможностей, прочности и физической сущности процесса разрушения бетона, что позволит проектировать надежные и экономичные железобетонные конструкции различного назначения.
Ключевые слова: прочность, бетон, интегральная характеристика бетона.
Прочность - это основной показатель качества бетона, определяющий надежность и экономичность бетонных и железобетонных изделий, конструкций и сооружений.
Наши исследования [1...4] показывают, что прочность является интегральной
характеристикой бетона, оценивающая материал в комплексе, начиная с образования твердого тела и заканчивая сопротивлением разрушению. Существующее определение прочности бетона как способности сопротивляться разрушению или необратимому деформированию от воздействия внешних сил или внутренних напряжений и окружающей среды является неточным и не отражает самой сущности явления. Прочность бетона - это не способность материала сопротивляться разрушению, а эту способность он приобретает благодаря наличию прочности. В действительности, прочность - это основная характеристика бетона, определяемая величиной устойчивых внутренних связей между составляющими компонентами и его структурой, обеспечивающих целостность материала, тождественность самому себе и способность сопротивляться разрушению или необратимому деформированию от воздействия различных факторов (внешних нагрузок и (или) окружающей среды). А по сути дела фактическая прочность бетона - это интегральная величина энергии внутренних связей в материале с конкретной структурой. В связи с этим прочность бетона можно измерять не только в МПа, но и в Дж/см3, что, на наш взгляд, более правильно, поскольку точнее отражается суть явления. При идеальной структуре бетон должен достичь теоретической прочности, которая значительно выше реальной. В соответствии с нашими исследованиями энергию связи между атомами химических элементов в бетоне можно оценивать модулем упругости, который, по сути дела, представляет собой напряжение, возникающее в единичном сечении материала при относительном
смещении атомов или молекул от их оптимального положения, равном единице, если бы при этом закон Гука не нарушался и образец не разрушался. Поэтому, модуль упругости можно использовать для расчета теоретической прочности бетона. По данным разных исследователей теоретическая прочность разных материалов составляет от 5 до 20 % от их модулей упругости, в среднем принята величина 10 %. С учетом этого порядок величины теоретической прочности бетона, например, класса В60 в среднем составляет 4000 МПа (Дж/см3), а реальной - 77 МПа (Дж/см3) при коэффициенте вариации прочности 13,5 %. Разница весьма значительная и связана с большой дефектностью и неоднородностью структуры бетона на микро- и макроуровнях, которую можно оценивать по соотношению теоретической прочности к реальной. Чем больше это соотношение, тем несовершеннее структура материала.
Величина прочности оценивается ее пределом. Предел прочности бетона определяется той нагрузкой и конкретным режимом ее приложения, при которых объем микроразрушений в материале достигает критичес кого значения, после чего начинается спонтанное разделение образцов на отдельные части, каждая из которых обладает определенной прочностью. Критический объем микроразрушений в бетоне оценивается величиной работы, которая необходима для разрушения материала единичного объема «Ар» [2]. Исходя из определения, предел прочности бетона зависит от режима приложения нагрузки. А это значит, что в зависимости от режимов, при которых испытываются образцы, один и тот же бетон может иметь разные значения предела прочности. Чтобы исключить неопределенность и установить единый для всех предел прочности, используемый для практических целей (при проектировании конструкций,
для сравнительной оценки различных
бетонов и т.д.), режим испытания бетонных образцов регламентирован ГОСТ 10180, в соответствии с которым определяется стандартный предел прочности бетона при скорости приложения нагрузки 0,4...0,6 МПа/с. С повышением скорости нагружения предел прочности увеличивается, а с понижением -уменьшается и достигает предела длительной прочности бетона. Предел технических возможностей бетона можно оценивать также величиной той удельной работы «Ар», которую необходимо затратить для достижения в материале критического объема
микроразрушений, после чего начинается спонтанное разделение образцов на отдельные части, каждая из которых обладает определенной прочностью. Значение «Ар» можно рассчитать по формуле:
е
Ар =1 Rd е.
0
Анализ экспериментальных данных многих ученых показывает, что с изменением режима испытания образцов меняются прочность и величина разрушающей деформации бетона, но таким образом, что с приемлемой для практики погрешностью «Ар» является постоянной величиной для конкретного вида, состава бетона и вида нагрузки при условии отсутствия упрочнения его во времени и не зависит от режима испытания образцов. Это значит, что при каких бы режимах нагружения не испытывались образцы из конкретного бетона, они разрушаются только при достижении предельного значения «Ар». Другой вид неупрочняющегося бетона конкретного состава при прочих равных условиях будет иметь свой предел технических возможностей, которые будут увеличиваться с его упрочнением [1, 2].
Если исходить из того, что прочность - это интегральная величина энергии внутренних связей в твердом теле, то значит прочность - это объективная, общая количественная мера существования различных форм вещества. Состояние вещества определяется количеством энергии, которая связывает составляющие компоненты в единое целое, и прочностью этой связи. Если, например, величина энергии связи основных минералов цементного камня 3СаО^Ю2, 2СаО^Ю2, ЗСаО-АЬОз, 4Са0-АЬ0з^е20з и 3СаО-АШз-6ШО равна соответственно 5239,2; 4139,3; 6246,6; 9715,5 и 12062,4 кДж/моль, то это твердое состояние вещества. Если энергия связи между молекулами составляет 40.80 кДж/моль, то это жидкое состояние вещества. Для газообразного
состояния энергия связи между молекулами равна всего 8.16 кДж/моль. Прочность связи между элементарными частицами в твердом теле на три порядка выше по сравнению с величиной связи между молекулами вещества в газообразном состоянии. Следовательно, если между атомами химических элементов или исходными сырьевыми компонентами не достигнут соответствующий уровень прочности связи, то образование твердых тел невозможно. Поэтому прочность является критерием образования твердого вещества. Есть прочность - значит все элементарные частицы, составляющие материал, связаны прочными химическими и физико-механическими связями в единое целое, в твердое тело со всеми его свойствами. Нет прочности - значит, нет связей между элементарными частицами, нет и твердого тела.
С приобретением целостности и прочности бетон приобретает и способность сопротивляться различным разрушающим факторам, потому что последние стремятся разрушить связи между элементарными частицами, а внутренняя энергия притяжения между ними, определяющая его прочность, препятствует этому. При этом бетон и цементный камень рассматриваются как крайне дефектные пространственные системы, состоящие из огромного количества разнородных по природе, свойствам и размерам блоков соединений химических элементов, связанных внутри и между собой неравными химическими и физико-механическими связями. Но главная роль принадлежит химическим связям, поскольку бетон представляет собой водостойкий и упрочняющийся во времени материал, что возможно только при превалировании химических связей. В соответствии с положениями науки о сопротивлении материалов, если к любому твердому телу прикладывается одноосная вертикальная сжимающая нагрузка, то в горизонтальном направлении в материале никаких напряжений не возникает, то есть вообще не принимается во внимание тот факт, что структура материала реагирует на внешние воздействия и сопротивляется им. В противоположность этому О.Я. Берг, Ю.В. Зайцев и другие ученые на основе своих исследований утверждают, что в рассматриваемом случае в бетоне возникают в горизонтальном направлении растягивающие напряжения, которые и являются причиной его разрушения. На наш взгляд, растягивающих напряжений, перпендикулярных действию вертикальной одноосной сжимающей нагрузки,
в материале возникать не может, потому что в этом направлении никаких растягивающих сил к образцу не прикладывается. Наши исследования показывают, что в действительности все обстоит несколько иначе, если рассматривать, как сложная физическая структура материала сопротивляется нагрузке, каковы основы и закономерности этого сопротивления. Если на систему не действует нагрузка, то она находится в равновесном состоянии. Как только под воздействием внешних сил структурные элементы системы смещаются со своего энергетически выгодного положения, то в ней возникает внутреннее объемное напряженное состояние стяжения или расширения при действии соответственно растягивающих или сжимающих нагрузок, то есть мгновенно в структуре материала возникает адекватная реакция сопротивления внешней нагрузке. Таким образом, структура твердого тела типа бетона всегда активно сопротивляется внешним воздействиям. В ней, независимо от того, действует ли одно-, двух- или трехосная нагрузка, всегда возникает напряженное состояние объемного стяжения или расширения как результат взаимодействия между собой элементов структуры [2, 3]. С повышением уровня нагрузки в структуре бетона в дефектных и ослабленных местах концентрируются большие напряжения. Они достигают таких значений, при которых происходит разрыв связей между элементарными частицами, нарушение сплошности структуры материала и появление микротрещин. Место возникновения первой микротрещины и распределение микротрещин в объеме материала определяются
вероятностными законами. Там, где возникают микротрещины, напряжения снижаются и перераспределяются на другие, менее нагруженные структурные элементы, что стимулирует появление микротрещин на соседних участках и так далее, то есть с появлением и развитием микротрещин напряженное состояние в структуре бетона динамично меняется. С повышением нагрузки и времени ее действия увеличиваются количество и размеры микротрещин, некоторые из них сливаются друг с другом, в результате происходит разделение объединенными микротрещинами целостного объема образцов на слабо связанные между собой микрообъемы, что ослабляет в целом их сопротивление нагрузке. Это подтверждают и наши опыты, в которых кубы размером 10^10^10 см, изготовленные из раствора состава 1:1 = Ц:П (по массе, В/Ц = 0,4), в свежеотформованном
состоянии разрезались струной на две и три части. После твердения в условиях лаборатории в течение 20 сут они испытывались в таком нецелостном состоянии, то есть с искусственными вертикальными трещинами по высоте кубов, на сжатие по стандартной методике параллельно с контрольными (сплошными кубами). Результаты испытаний показали, что прочность кубов, разделенных искусственными трещинами на две и три части, оказалась ниже прочности контрольных кубов соответственно на 18.30 и 26.50 %. Это значит, что если бетонные образцы будут разобщены сплошными вертикальными трещинами на две или три части, то они в таком состоянии способны еще сопротивляться внешней нагрузке, хотя в целом их предел прочности снижается на 18.50 % в зависимости от момента разрезания образцов на части. Как показывают исследования, в бетоне с неоднородной структурой на микро- и макроуровнях напряжения в сечении, перпендикулярном направлению действия внешней сжимающей, например одноосной нагрузки, по известным причинам распределяются весьма неравномерно - на одних участках они больше, на соседних -меньше. Причем эта разница может быть значительной, особенно при существенном различии между физико-механическими свойствами материалов на соседних участках (например, гранитный заполнитель - цементный камень, кристаллическая и гелевая составляющие цементного камня и т.д.). В соответствии с положениями сопротивления материалов именно при такой схеме действия нагрузки возможно разрушение от сдвига. Следовательно, в нагруженной неоднородной структуре бетона создаются все предпосылки для возникновения сдвигающих напряжений в очень большом количестве микрообъемов и развития в этих местах (зоне контакта) микротрещин и по сдвиговому механизму на всех уровнях структуры, что подтверждается опытом [5, 6]. При воздействии на бетон одноосной сжимающей нагрузки наряду с расширением наблюдается сильное его сжатие вследствие того, что сжимающие напряжения во много раз превышают расширяющие, а это приводит к уменьшению объема образцов. Этому способствует также то, что бетон представляет собой капиллярно-пористое тело, а поэтому происходит уплотнение материала по причине сплющивания пор и капилляров, смыкания трещин и несплошностей, ползучести бетона и т.д. По этим причинам с увеличением сжимающей нагрузки наблюдается уменьшение
объема, например, цементного камня, вплоть до разрушения образцов [7]. Бетон ведет себя аналогичным образом до определенного уровня нагрузки, когда материал достигает наибольшей плотности и наименьшего объема, после чего наблюдается его разуплотнение и увеличение объема [8]. Можно полагать, что при действии одноосной растягивающей нагрузки будет наблюдаться иная картина. При дальнейшем увеличении нагрузки микроразрушения развиваются по ранее описанным законам, взаимодействуют между собой в объеме бетона и образуют единый объемный разрушительный процесс, протекающий с определенной скоростью, в результате которого формируются те элементы структуры, на которые в итоге разделяется материал. Как только объем микроразрушений достигает критической величины, бетон распадается на отдельные части.
При действии на бетон постоянной длительной нагрузки в процессе его неупругого деформирования увеличиваются размеры и объем возникших микротрещин. Если действующая нагрузка не превышает предела длительной прочности бетона, то объем микроразрушений в материале не достигает критического значения, и разрушительный процесс постепенно затухает. Если же нагрузка превышает предел длительной прочности бетона, то в процессе длительного деформирования объем микроразрушений в материале через определенный промежуток времени достигает критического значения, и он разрушается. Чем выше уровень нагрузки, тем меньше требуется времени до достижения момента разрушения бетона. Та внешняя нагрузка, при которой объем микроразрушений в бетоне через весьма длительный, требуемый промежуток времени достигает критического значения, называется пределом длительной прочности бетона. Предел длительной прочности бетона зависит от многих факторов, в том числе от его деформативности. Так, для полимербетона, обладающего повышенной длительной деформативностью, предел длительного сопротивления равен (0,5.0,6) Rкрат (в зависимости от вида вяжущего), а цементного бетона с меньшей деформативностью - (0,75.0,85) Rкрат [1, 2].
Начиная с Гриффитса и по настоящее время разрушительный процесс оценивается суммарной критической длиной микротрещин, при достижении которой бетон распадается на части [6]. Однако каждая трещина в момент ее образования имеет длину, ширину и глубину. Эти ее параметры в равной степени влияют на разрушение материала. Поэтому нельзя
объемный разрушительный процесс оценивать только длиной микротрещин, так как даже при одноосной внешней сжимающей нагрузке на бетон в нем возникает внутреннее объемное напряженное состояние расширения, которое вызывает развитие микротрещин в трех направлениях - в направлении длины, толщины и глубины, а в целом и объема. Поэтому более надежно и обоснованно процесс разрушения бетона оценивать объемом микротрещин или микроразрушений, который можно
охарактеризовать удельной работой, необходимой для разрушения материала «Ар».
Для реального бетона процесс его разрушения объемный и временной, то есть не мгновенный, а развивающийся во времени с определенной скоростью. При этом, как подтверждают опыты, с повышением однородности, прочности и снижением дефектности структуры бетона повышаются нижний и верхний пределы
микротрещинообразования, а, следовательно, уменьшается продолжительность разрушительного процесса. С теоретической точки зрения для бетона с идеальной структурой и однородностью разрушительный процесс должен быть также объемным, но мгновенным, то есть разрушение образцов должно происходить при достижении теоретической прочности мгновенно по всему объему.
Как известно, на прочность и характер разрушения бетона оказывают влияние форма и размеры испытываемых образцов. Меньшие по размерам образцы показывают большую прочность, а призмы - меньшую по сравнению с кубиковой. При этом призменная прочность наиболее достоверно отражает прочность бетона в конструкциях, потому что исключается опорное трение образца о плиты пресса, да и сама призма - это, по сути дела, тоже конструкция, более близкая по форме к стойкам или колоннам. А поэтому призменная прочность и используется при расчете бетонных и железобетонных изделий. Но при исследовании прочности бетона как материала правильнее, на наш взгляд, применять стандартные кубы, так как при и спытании призм определяется не только прочность бетона без влияния опорного трения, но и конструкции с определенными формами и размерами. Разрушение же конструкций часто происходит по одной плоскости. В итоге, на результаты определения прочности и характер разрушения материала оказывают существенное влияние форма и размеры призм, что нежелательно. Кроме того, на характер разрушения образцов влияют также прочность и однородность бетона, режим
приложения нагрузки и другие факторы. В наших опытах при испытании стандартных бетонных образцов с прочностью порядка 150 МПа по стандартной методике они всегда при разрушении распадались на значительное количество частей небольших размеров. С учетом вышеизложенного нельзя согласиться с выводами о том, что разрушение бетонных образцов обязательно заканчивается образованием одной магистральной трещины. Такой вариант возможен при определенных условиях, но больше проявляется при разрушении конструкций. Иной характер разрушения наблюдается при испытании стандартных кубов как без, так и с опорным трением, особенно из высокопрочных бетонов. Поэтому правильнее говорить об образовании при разрушении бетонных кубов нескольких значительных трещин, разделяющих образцы на части, или лучше о поверхности разрушения. Поскольку разрушение всегда происходит по наиболее слабым местам, то поверхность разрушения вычерчивает эти места и по ним разделяет материал на элементы структуры с меньшей дефектностью и большей прочностью.
Как указано выше, целостность бетона, его тождественность самому себе, способность сопротивляться разрушению от воздействия различных разрушающих факторов
обеспечивается его прочностью. Если он обладает достаточно высокой интегральной величиной энергии внутренних связей, устойчивых в данных условиях, малодефектной плотной структурой, то он будет успешно сопротивляться, противостоять любым без исключения воздействиям, что и подтверждают исследования ученых [5, 9.11].
Экспериментально установлено, что в сравнимых условиях между В/Ц, морозостойкостью, коррозионной стойкостью и прочностью бетона существует идентичная зависимость - с уменьшением В/Ц прочность и стойкость бетона в условиях действия мороза, агрессивных сред и других факторов возрастают. А поэтому прочность бетона является критерием оценки состояния бетона и железобетонных конструкций, работающих в различных условиях: при попеременном увлажнении и высушивании, замораживании и оттаивании, воздействии разных агрессивных сред. Это единственно надежный и прямой критерий, по которому можно судить о степени разрушения структуры материала и его остаточных потенциальных возможностях.
Бетон эксплуатируется в различных условиях, которые оказывают на него весьма большое влияние. В нормальных условиях
пр очность бетона возрастает, а в агрессивных -снижается. Нормальная среда - это условия, благоприятные для упрочнения материала. В этом случае говорят о прочности бетона. Агрессивная среда - это условия, разрушающие бетон. В этом случае говорят о морозостойкости или коррозионной стойкости бетона, хотя оценивается его состояние по изменению прочности. Такой подход, на наш взгляд, противоречив и неправомерен. Во всех случаях речь идет о прочности бетона, но работающего в различных условиях: в нормальной, хлорной, щелочной, углекислой, магнезиальной средах и т.д. Тогда правильнее говорить о прочности бетона в нормальных условиях, о его прочности в условиях воздействия морской воды, мороза или агрессивной среды. Критерием оценки состояния бетона при комплексном воздействии на него внутренних и внешних факторов может служить определенная нормируемая прочность, обеспечивающая класс бетона при соответствующем коэффициенте вариации прочности, который должен неукоснительно выдерживаться во всех случаях без исключения. Какие бы факторы одновременно не действовали на бетон (нагрузка разного вида и режима, агрессивная среда, мороз, радиация и т.д.), прочность бетона в конструкциях не должна быть ниже нормируемой к концу проектного срока эксплуатации, что всегда можно надежно обеспечить. Тогда срок нормальной эксплуатации зданий и сооружений увеличится до нескольких сотен лет.
Таким образом, фактическая прочность бетона - это интегральная величина энергии внутренних связей в материале с реальной структурой, является критерием образования и оценки состояния бетона, основой его способности сопротивляться любым
разрушающим факторам, определяет закономерности разрушения и технические возможности материала, в частности его долговечность. Проведенные исследования расширяют представления об энергии внутренних связей в материале как основе его прочности, деформативности, целостности и сопротивляемости различным факторам (совместному воздействию внешних нагрузок и (или) окружающей среды), о пределах технических возможностей, прочности и о физической сущности процесса разрушения бетона, что позволит проектировать надежные и экономичные железобетонные конструкции различного назначения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гладков Д.И. Физико-химические основы прочности бетона и роль технологии в ее обеспечении. Белгород: Изд-во БГТУ, 2004. 293 с.
2. Gladkov D.I., Suleimanova L.A., Nesterov A.P. Strength as an integral characteristic of concrete // 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.
3. Сулейманова Л.А. Энергия связи -основа конструктивных и эксплуатационных характеристик бетонов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 9. С. 91-99.
4. Сулейманова Л.А., Сулейманов А.Г., Ерохина И.А. Общая закономерность получения
материалов с высокими качественными показателями // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2006. № 15. С. 155.
5. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2002. 500 с.
6. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушений. М.: Стройиздат, 1982. 196 с.
7. Макридин Н.И. и др. Структура и параметры трещиностойкости цементных композитов. Пенза, ПГАСА, 2000. 142 с.
8. Гвоздев А.А. и др. Прочность, структурные изменения и деформация бетона. -М.: Стройиздат, 1978. 299 с.
9. Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. Л.: Стройиздат, 1989. 128 с.
10. Москвин В.М. и др. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.
11. Мощанский Н.А. Плотность и стойкость бетонов. М.: Гостройиздат, 1951. 175 с.
Suleymanova L.A.
THE ENERGY OF INTERNAL CONNECTIONS IN THE MATERIAL
AS A BASIS ITS STRENGTH, DEFORMABILITY AND RESISTANCE TO VARIOUS FACTORS
Carried out researches expand understanding of the energy of internal connections in the material as the basis of its strength, deformability, integrity and resistance to various factors (the combined effects of external loads and (or) the environment) the limits of the technical possibilities, the strength and the physical nature of the process of destruction of the concrete, that will allow to design a reliable and economical concrete structures for various purposes.
Key words: strength, concrete, integral characteristic of concrete.
