CC BY
48УДК 691:539.4
Ю.М. БАЖЕНОВ1, д-р техн. наук, академик РААСН; Е.М. ЧЕРНЫШОВ2, д-р техн. наук, академик РААСН; Д.Н. КОРОТКИХ2, канд. техн. наук (korotkih.dmitry@gmail.com)
1 Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26)
2 Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)
Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы
Комплексно рассмотрены проблемы формирования структуры современных высокотехнологичных бетонов. Обсуждаются вопросы технологических платформ производства бетонов и их фундаментальной научной базы. Раскрываются возможности системно-структурного методологического подхода при управлении потенциалом сопротивления бетонов разрушению. Систематизируются и обобщаются параметры строения типичных структурных групп современных бетонов с анализом их эффективности по конструкционным и экономическим показателям.
Ключевые слова: современные высокотехнологичные бетоны, парадигмы и принципы конструирования структур, технологические платформы, сопротивление разрушению, технико-экономическая эффективность бетонов.
J.M. BAZHENOV1, Doctor of Technical Sciences, Academician of RAACS, E.M. CHERNYSHOV2, Doctor of Technical Sciences, Academician of RAACS, D.N. KOROTKIKH2, Candidate of Technical Sciences
1 Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation)
2 Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (84, 20-letija Oktjabrja street, Voronezh, 394006, Russian Federation)
Designing of modern concrete structures: determining principles and technological platforms
Problems of the formation of structures of modern high-technology concretes are complexly considered. Issues of technological platforms of concretes manufacture and their fundamental scientific base are discussed. Possibilities of the system-structural methodological approach when controlling the potential of concretes resistance to destruction are revealed. Parameters of compositions of typical structural groups of modern concretes with an analysis of their efficiency according to structural and economic indicators are systematized and generalized.
Keywords: modern high-technology concretes, paradigms and principles of structures designing, technological platforms, resistance to destruction, technical and economical efficiency of concretes..
К настоящему времени технология цементных бетонов в своих основных положениях практически сложилась. Преодолев в 1990-е гг. определенный «кризис жанра», технология бетонов претерпела ряд концептуально-методологических и технических прорывов.
Предшествующее этим прорывам материаловедение и технология бетонов соотносились прежде всего с решением вопросов, опирающихся на принципы и механизмы механики формирования структуры. Такой подход предусматривал получение максимально плотных упаковок систем сложения заполнителей и обеспечивал образование макро- и мезоконгломератной структуры бетонов прочностью от 20—30 МПа и в лучших решениях с использованием высококачественных заполнителей рациональной гранулометрии, прогрессивной технологии уплотнения — до 70 МПа.Переход к физико-химическим принципам и механизмам формирования структуры, нацеленным на управление микроструктурой, позволил получить бетоны прочностью до 120—150 МПа. При этом предшествующая сумма знания в технологии бетонов не отбрасывалась, а развивалась и дополнялась новыми научными положениями. Последнее десятилетие развития технологии бетонов характеризуется становлением и приложением нанотехнологических подходов и их принципов.
Основные концептуальные установки, системы формирующихся представлений, характерные для определенного этапа развития научных знаний по проблеме формирования структуры и прочности цементных бетонов, рассматриваются как парадигмы соответствующих технологических платформ. Эволюционное развитие понимания структуры как определяющего концептуально-методологического фактора в разработке высокоэффективных строительных композитов с совершенствованием методов качественной и количественной ее идентификации, со сменой парадигм конструирования происходило, таким образом, в направлении от макро-,
через мезо- к микроструктуре и неизбежно дошло до на-ноструктурного уровня [1].
На современном этапе развития материаловедения и технологии бетонов определяющим оказываются уже не только и не столько проблемы собственно прочности, сколько проблемы эффективности технологии бетона и самого бетона по критериям ресурсоемкости в расчете на единицу измерения его конструкционного и функционального качества. В этой связи принципиально важно включить в действие сумму накопленных знаний и системно опереться на арсенал парадигм и соответствующих им технологических платформ формирования и получения оптимальных структур бетонов — механофизи-ческой, физико-химической, нанотехнологической.
В научном смысле указанные платформы выстраиваются из суммы соответствующих фундаментальных знаний, обеспечивающих научно обоснованное рассмотрение проблем конструирования и синтеза структур в их закономерной связи со свойствами получаемого материала. В механофизической платформе, отвечающей задачам формирования оптимальной макро- и мезо-структуры, это прежде всего механика и реология зернистых сред. В физико-химической платформе, нацеленной на решение задач управления формированием микроструктуры, это химическая кинетика гетерогенных процессов, коллоидная химия, физическая химия поверхностных явлений, кристаллохимия и др. В нанотехнологической платформе, затрагивающей проблемы структурообразования матричной субстанции бетонов на самом тонком уровне ее строения, это нанохимия, интегрировавшая современные достижения физики и химии твердого состояния.
Совокупность фундаментального знания этих наук в отношении бетонов образует современную технологическую платформу (рис. 1).
И механофизические, и физико-химические, и на-нотехнологические принципы и механизмы, отвечаю-
Технологическая платформа, опирающаяся на эмпирический опыт
Технологическая платформа, опирающаяся на закономерности механики и физики
Технологическая платформа, опирающаяся на закономерности физикохимии и механохимии
Технологическая платформа, опирающаяся на подходы и принципы наноконцепции структурообразо-вания материалов
Современная технологическая платформа
Рис. 1. Технологические платформы получения бетонов
Э
Управление связями между структурными элементами твердой фазы
Управление формированием поля напряжений через однородность состава и структуры
Концепты управления
Управление балансом сил развития и распространения трещин и их торможения
Рис. 2. Концепты управления сопротивлением материалов разрушению [6]
щие существу технологических платформ, по содержанию соответствуют определяющим парадигмам формирования структур:
— обеспечения повышенной плотности, т. е. увеличения массы бетона в единице объема;
— достижения оптимальной однородности-неоднородности размещения субстанциональной массы в объеме структуры;
— оптимизации содержания компонент структуры, предопределяющих меру проявления свойств упругости, вязкости, пластичности бетона при деформировании и сопротивлении его разрушению.
Эти принципы, парадигмы, как видно, отвечают методологии структурного подхода. Во-первых, существу механизма включения в работу, в сопротивление силовым воздействиям создаваемых структурных связей материала — структурных связей матричного материала, структурных связей субстанции наполнителей материала, структурных связей их контактной зоны. При этом потенциал сопротивления совокупности структурных связей постулируется как интегральная характеристика, определяемая количеством этих связей в единице массы материала и их качеством.
Во-вторых, парадигмы структурообразования отвечают условиям управления процессом диссипации, ло-
кализации и концентрации напряжений при формировании поля напряженно-деформированного состояния материала под влиянием внешних воздействий. Параметры поля напряжений и деформаций при прочих равных условиях оказываются производной пространственно-геометрических характеристик структуры — однородности размещения, площади поверхности раздела структурных составляющих в единице объема материала и зависят в общем случае от закономерностей проявления однородности-неоднородности структуры бетона.
В-третьих, парадигмы формирования структуры бетонов соотносятся с возможностями влияния на развитие разрушения — на возможность зарождения, распространения и торможения процесса роста трещин в материале, поскольку бетон относится к типу хрупких конструкционных композитов [2—5].
Итак, определяющие принципы формирования, конструирования структуры бетонов рассматриваются и постулируются через призму механизмов ее участия в процессах сопротивления разрушению. Именно такая трактовка приводит к необходимости введения [6] трех концептов управления сопротивлением разрушению (рис. 2). Первый концепт учитывает, что потенциал сопротивления разрушению, помимо условий трансформации внешней нагрузки во внутренние напряжения, определяется количеством и качеством физических и физико-химических связей между омоноличивающим веществом и частицами наполнителя, а также внутренними связями структурных составляющих самого омоноличивающего вещества и наполняющих частиц. концепт отражает влияние меры однород-конгломератной структуры на
Второй ности-неоднородности формирование в материале поля внутренних напряжений, определяемого кинетикой диссипации, локализации и концентрации, величиной таких внутренних напряжений.
Третий концепт отражает возможности торможения трещин за счет различий проявления реологической роли структурных составляющих материала как фактора изменения параметров энергетического баланса в зоне фронта развивающихся трещин при хрупком разрушении его конгломератной структуры.
Указанные три концепта имеют определяющее отношение к обоснованию системы структурных факторов управления сопротивлением разрушению при механическом, а также при любом другом (термическом, влажностном, химическом и т. п.) нагружении бетона.
Рассмотрим суть обозначенных принципов и парадигм формирования структуры бетонов.
Главным решением для обеспечения высокой прочности бетонов всегда и для предыдущих поколений также были принцип и действие «хорошо перемешать и хорошо уплотнить». То есть центральной, определяющей и наиболее очевидной являлась парадигма обеспечения повышения однородности и плотности бетона. Уже на заре
развития научных знаний о бетоне эта парадигма связывалась с качественным перемешиванием, с формированием максимально плотных упаковок систем сложения крупного и мелкого заполнителей и опиралась на закономерности механики зернистых сред [7—9]. Технологически максимально плотные упаковки реализуются как результат обоснования и назначения рационального гранулометрического состава фракций крупного и мелкого заполнителей в конгломератной структуре [10, 11]. Важным технологическим фактором при этом оказывается характер и параметры внешнего силового воздействия на бетонную смесь при формовании в целях достижения наиболее высокой плотности бетона [12].
Взаимосвязанной с проблемой максимально плотных упаковок являлась проблема типа цементации структуры композита. Эта проблема состоит в оптимизации характеристик омоноличивания системы сложения зернистых включений связующим (матричным) веществом. Обобщенными, интегральными количественными оценками типа цементации (контактовой, пленочной, поровой, базальной в терминах петрологии) является, как известно, коэффициент раздвижки зерен заполнителей, определяемый соотношением объемов наполняющего и связующего веществ.
Дальнейшее развитие парадигмы повышения плотности структуры бетона состояло в переходе от задач управления плотностью на уровне макро- и мезострук-тур к уровню микроструктур, и выразилось это в появлении концепции структуры цементного камня как своего рода микробетона [13], когда в качестве его заполнителя рассматриваются и принимаются непрореагировавшие зерна цемента и (или) специально вводимые в структуру зерна микронаполнителя, соразмерные с первыми. Основная структурная роль микронаполнителя как раз и состоит в уплотнении системы твердеющего цемента.
На структурном уровне цементирующих веществ микробетона функцию уплотнения его структуры могут выполнять и специально вводимые ультрадисперсные (на один-два порядка более мелкие) частицы, например микрокремнезема, которые кроме этой прямой функции начинают играть и физико-химическую структурообразующую роль.
В целом в настоящее время парадигма повышения плотности бетона посредством формирования упаковки систем зернистых включений (управление системой их сложения) находит технологическую реализацию на всех структурных уровнях материала, последовательно переходя от макро- к мезо-, микро-, ультрамикроструктуре бетона [1].
В рамках повышения плотности бетона через оптимизацию упаковки твердофазной зернистой составляющей, естественно, происходит уменьшение объема по-рового пространства. Такое уменьшение существенно дополняется возможностями при снижении величины водоцементного отношения. Реализация последнего связана с двумя магистральными технологическими направлениями: одним из них является применение интенсивно уплотняемых жестких бетонных смесей (именно интенсивно, поскольку снижение величины водоце-ментного отношения сопровождается заметным ростом величины внутреннего трения, оцениваемого предельным напряжением сдвига и эффективной вязкостью бетонной смеси) [14—16]. Другим более эффективным направлением является применение для получения высокоподвижных (и даже самоуплотняющихся) систем химических добавок пластифицирующего действия, снижающего внутреннее трение, с водоредуцирующим эффектом [17—20]. В рамках первого из направлений технологическая реализация принципа «хорошо уплотнить» применительно к жестким бетонным смесям опиралась на разработанные сложные аппараты формова-
ния бетонных и железобетонных изделий. Такие аппараты и установки реализовывали механизмы уплотнения вибрацией, прессованием, вакуумированием, прокатом и многообразными их сочетаниями [21]. Переход же ко второму направлению обусловливался развитием научного знания в рамках парадигмы, опирающейся на законы физико-химической механики дисперсных систем и коллоидной химии.
С точки зрения уменьшения объема порового пространства в системе новообразований может, в рамках обсуждаемой парадигмы повышения плотности бетона, рассматриваться и механизм заполнения межкристал-литного пространства дополнительно создаваемым объемом кристаллогидратов. Такой эффект обеспечивается применением расширяющихся цементов, самонапряженных бетонов, вяжущих с компенсированной усадкой [22—30]. Сформированное поровое пространство цементного бетона можно заполнить и продуктами альтернативной системы твердения, что лежит в основе идеи технологии гибридных бетонов и основных их разновидностей — бетонополимеров [30—32].
Необходимо отметить, что все средства повышения плотности бетона в рамках рассматриваемой парадигмы формирования структуры бетонов дают эффективный (в геометрической прогрессии их действия) вклад в рост прочности бетона.
Принцип «хорошо перемешать» во влиянии на прочность находит свое отражение через концепт управления неоднородностью строения материала в масштабном диапазоне его структуры от макро- до микроуровня [6, 33]. Однородность-неоднородность строения композита как фундаментальная материаловедческая категория предопределяет, как отмечалось, связь с условиями и закономерностями процессов диссипации энергии внешнего воздействия в структуре бетона, характером локализации и концентрации в ней напряжений. И именно это в определяющей мере влияет на потенциал сопротивления разрушению в совокупности с другими концептами и факторами синтеза прочности бетона.
Важно подчеркнуть неоднозначность вопроса о роли однородности-неоднородности в обеспечении прочности бетона. Эта противоречивая неоднозначность, определяемая законами механики разрушения материала, выдвигает задачу нахождения гармонии характеристик однородности-неоднородности структуры при ее синтезе и конструировании [33].
Третьей парадигмой формирования структур бетонов с регулируемой прочностью и деформативностью следует считать управление минерало-морфологиче-ским дисперсным состоянием систем твердения, т. е. матричной субстанции, посредством регулирования соотношения аморфной (скрытокристаллической) и кристаллической (пластинчато-призматической, волокнисто-игольчатой и др.) фаз новообразований [25]. Это может быть результатом объективной эволюции и / или субъективного модифицирования химического, минералогического, дисперсного и морфологического состава цементного камня [34]. С точки зрения повышенных значений прочности преимущество имеют нано- и микрозернистая структуры с заметным преобладанием кристаллической фазы. Однако в этом случае более существенным оказывается проявление противоречия, связанного с изменением типа разрушения бетона, выражающегося в том, что достигаемый рост прочности бетона не сопровождается аналогичным ростом его предельной растяжимости и трещиностойкости. Бетоны с преобладанием кристаллической фазы новообразований оказываются относительно более хрупкими и менее трещиностойкими.
Управление формированием структуры в рамках рассматриваемой парадигмы состоит, таким образом,
Таблица 1
Определяющие принципы и технологические платформы конструирования структур бетонов и управления их сопротивлением разрушению
Концепты управления сопротивлением разрушению Парадигмы Технологические решения по управлению механизмами структурообразования Решения для структурных групп бетонов Соответствие решения концепту
формирования структуры Принципы формирования структуры 1 II III IV V управления сопротивлением разрушению
Управление зерновым составом заполнителей + + + + + К1, К2
L-- Создание плотнейших упаковок системы сложения заполнителей Применение микронаполнителей - -/+ + + + К1
CL О-Ё Управление обеспечением Применение ультрадисперсных наполнителей - - + + + К1
0-CL 1- Снижение величины водоцементного отношения + + + + + К1
« 1 ш ш i 05 Ш я R- -О. ° О ^ л н IS S повышенной плотности Сокращение объема порового пространства Применение специальных вяжущих (с компенсированной усадкой, расширяющихся, напрягающих) - - -/+ + + К1
Заполнение объема пор продуктами альтернативной системы твердения - -/+ +/- + + К1
а> 3 о m о m 1- О. [_ s о о S Ч а) J о а i га о Реализация вводимых структурных элементов как центров кристаллизации - - -/+ + + К1, К2
Управление процессом кристаллизации Управление минералогическим составом вяжущего - - -/+ + + К1, К2
5 „ а» | Управление формированием кристаллитной структуры новообразований Управление условиями твердения + + + + + К1, К2, КЗ
то а> 3 s 5 а) 3 О. ^ Применение модификаторов структуры, в том числе наномодификаторов - - -/+ + + К1, К2
а. 1- а> > CD s га 5 1 о. новообразований в матрице Управление энергетическим состоянием системы новообразований Энергетическое зонирование структуры ультра-и нанодисперсными структурными элементами -формирование «дробных» структур - -/+ + + + К1, К2
11 8 а> о с S с g ^ га 5 Применение химически активных минеральных компонентов - - + + + К1, К2
« I i со 5 s S ° ш ffl С г ° 5 Н ¥ a> m Формирование структуры материала с минимально возможным числом масштабных уровней структуры Переход от макрозернистой структуры бетона к мелко-и микрозернистой - - -/+ + + К2
= X Я £ 8 a й о а> S & 1 1 о <§ Управление однородностью- Формирование однородного размещения включений в матрице на каждом масштабном уровне структуры бетона Выполнение условий квазиоднородности и конгруэнтности на каждом структурном уровне и качественное осуществление процесса перемешивания + + + + + К2
S -е-1 неоднородностью Применение включений с «чистой» поверхностью - -/+ + + + К1, К2
X 1 Ц со аз О. X композита Управление качественными и количественными характеристиками контактной зоны матрица-включения Формирование системы сложения и системы роста с учетом сходственных физико-механических характеристик и химической природы -/+ -/+ + + + К1, К2
1 см на каждом масштабном уровне структуры Применение заполнителей с привитой поверхностью - -/+ + + + К1, К2
Применение включений с низкой разнородностью к матрице по показателям деформативности - + + + + К2
©
I ft
а
§
wt. £
to ft
Г
ft
ft
a a.
1
ft g.
4
Таблица 2
Основные отличительные параметры состава и структуры современных цементных бетонов
(структурные группы бетонов)
Характеристики структуры Значения для групп бетонов
I II III IV V
Количество компонентов смеси 4-5 4-5 6-7 6-8 8-10
Наибольшая крупность зернистых частиц, мм 20-70 20-40 5-20 1-5 1-5
Коэффициент конгруэнтности зернистых частиц 5-1,5 5-2,5 20-5 100-20 100-20
Суммарное количество зернистых частиц в единице объема, шт./м3 До 2,2106 До 2,11010 До 1,21017 До 0,81021 До 0,81021
Суммарное количество вносимой зернистыми частицами поверхностной энергии, кДж/м3 18-20 36-40 900-1000 2000-2500 2000-2500
Расход цемента на 1 м3 300-400 300-400 400-500 400-800 400-800
Величина водоцементного отношения (В/Ц) 0,4-0,5 0,35-0,45 0,3-0,4 0,18-0,3 0,18-0,3
Критерий цементации - отношение объемов связующего и наполняющего материала как количественная его характеристика, м3/м3 0,25-0,35 0,3-0,4 0,3-0,4 0,5-0,7 0,5-0,7
Степень гидратации цемента в технологическом цикле, СГ, % 85-95 80-85 70-75 60-65 60-65
Средняя плотность связующего вещества (цементного камня - микробетона), кг/м3 1650-1800 1800-1950 1950-2050 2300-2350 2300-2350
Объем твердой фазы связующего вещества, м3/м3 0,57-0,65 0,65-0,7 0,7-0,75 0,75-0,79 0,75-0,79
Минералогический состав цементирующего вещества CSH (I) =40% CSH (I) =40% CSH (I) м55% CSH (I) =65% CSH (I) =65%
Объем микропор связующего вещества, м3/м3 0,35-0,43 0,3-0,35 0,25-0,3 0,21-0,25 0,21-0,25
Относительное содержание пор радиусом менее 20 нм, % 25-30 25-30 35-40 >40 >40
в поиске рационального сочетания объемов кристаллической и аморфной фаз новообразований, сочетания, способного обеспечить высокую прочность и необходимую трещиностойкость материала.
Рассмотренные парадигмы формирования структуры бетонов логично сопрягаются с предложенными тремя концептами управления сопротивлением разрушению материалов. С учетом этого можно составить обобщенную систему, своего рода матрицу принципов, механизмов и технологических решений (технологических платформ) по конструированию и синтезу структур бетонов с задаваемым, в том числе и самым высоким, уровнем сопротивления разрушению (табл. 1).
И можно обозначить необходимые и достаточные условия получения бетонов различного уровня качества, например, подразделив их [35] на пять групп: I — группа рядовых бетонов (с прочностью до 40 МПа), имеющих самый массовый спрос и потребление на строительном рынке; II — группа бетонов повышенной прочности (40—80 МПа), широко применяемых в строительстве высотных зданий и сооружений; III — группа высокопрочных бетонов (80—120 МПа) целевого применения для конструкций зданий и сооружений повышенной ответственности и большого эксплуатационного ресурса; IV — группа особовысокопрочных бетонов (более 120 МПа) специального назначения; V — группа сверхвысокопрочных и высокотрещиностойких бетонов уникального назначения.
Если иметь в виду различие конструкции структур этих групп бетонов, то с полным основанием можно говорить и о пяти соответствующих структурных группах бетонов, идентифицируемых посредством оценки определяющих характеристик и параметров их строения (табл. 2). Обобщенными характеристиками структуры при таком подходе могут являться: параметры квазиоднородности структуры на каждом ее масштабном уровне; тип цементации; интегральные качественные характеристики твердой фазы и порового пространства.
Важным для бетонов рядовой прочности и наиболее актуальным и принципиальным для высокопрочных бетонов вопросом является проблема формирования структуры, способной обеспечить не только требуемый уровень предела прочности при сжатии, но и новый уровень предельной растяжимости, трещиностойкости и в целом высокий уровень конструкционной прочности. Отметим, что этот вопрос является главнейшим, особенно для бетонов мелко- и микроконгломератной структуры, поэтому он заслуживает отдельного рассмотрения, выходящего за рамки данной статьи [35].
Формирование высокой трещиностойкости структуры современных бетонов нами соотносится прежде всего с третьим концептом сопротивления разрушения. В связи с этим укажем лишь общие принципы торможения процесса роста и распространения трещин в материале [6], состоящие:
— в изменении условий концентрации напряжений и снижении их уровня путем пластического течения включений в материале, оказывающихся на пути растущей трещины [30, 36] (некоторая доля энергии, предназначаемой для раскрытия трещины, будет в данном случае поглощаться на пластическое деформирование материала);
— в образовании в материале дополнительных границ раздела фаз, которые будут изменять и удлинять траектории фронта распространения трещин (роль границ раздела могут выполнять зерна заполнителя и поры, включения флокул полимерного материала и т. п.);
— в реализации механизмов торможения процесса роста и распространения трещин в материале в рамках возможностей многоуровневого дисперсного армирования структуры бетонов [37—41].
Ставя во главу угла сопротивление разрушению как интегральную конструкционную характеристику бетона, следует давать комплексную оценку не только системы показателей разрушения, характеризующих разрушение как конечный акт, но и анализировать параме-
тры деформирования и разрушения бетона и как развернутый во времени кинетический процесс. В этом случае кроме традиционных методов определения пределов прочности бетонов (при изгибе, растяжении, сжатии), модуля упругости, коэффициента Пуассона требуется использовать и методы и методики испытаний, которые позволяют раскрывать картину деформирования и сопротивление разрушению бетонов в динамике. В их ряду приоритетное место принадлежит методам получения полных равновесных диаграмм деформирования в координатах сила—деформации (ПРДД), методу оценки критического коэффициента интенсивности напряжений при нормальном отрыве, методу акустической эмиссии и особенно методу лазерной голографической интерферометрии (ЛГИ) [35, 38]. Каждый из названных методов вносит свой вклад в получение системной информации по комплексу показателей сопротивления разрушению бетонов. В составе этого комплекса: модуль упругости, коэффициент хрупкости, предельная растяжимость, полная энергия разрушения и ее составляющие (работа упругого деформирования, работа микро- и макротрещинообразования), вязкость разрушения, пределы прочности при изгибе и сжатии, кинетика накопления повреждений и др.
Именно при комплексном анализе характеристик сопротивления разрушению рассматриваемых структурных групп бетонов выявляется нарастающее противоречие между увеличением предела прочности при сжатии и относительным снижением трещиностойко-сти [24—25] (табл. 3). Последовательный переход по группам бетонов характерных структур от I к IV наряду с повышением предела прочности при сжатии обеспечивает рост начального модуля упругости, увеличение полной работы разрушения, что обусловлено возрастанием как количества физико-химических связей в структуре материала, так и их качества. При этом пределы прочности при растяжении, изгибе не имеют аналогичной динамики роста, вязкость разрушения находится на практически постоянном уровне; составляющие же полной работы разрушения имеют принципиально различные удельные значения. Для бетонов III и особенно IV групп характерно относительно малое накопление повреждений структуры к моменту последующего катастрофического разрушения. Иными словами, имеет место заметное повышение степени хрупкости бетона. Это отмечается на фоне повышения степени однородности структуры (увеличения коэффициента конгруэнтности), увеличения площади границ раздела фаз, изменения минералогического и морфологического состава цементирующих веществ в сторону низкоосновных гидратных соединений, сокращения общего объема пор при существенном увеличении доли нанопор в распределении их по размерам (табл. 2).
В целом переход от структур бетонов I группы к структурам бетонов II и III групп общую картину, феноменологию диссипации и деформирования, как уста-
R, H
Показатели сопротивления разрушению бетонов
0 f, мкм
Рис. 3. Полные равновесные диаграммы деформирования бетонов I-V структурных групп
новлено методом лазерной голографической интерферометрии [38], принципиально не меняет. Крупноконгломератная структура этих групп бетонов с ростом прочности при сжатии обеспечивает также и рост тре-щиностойкости, что объясняется заметным увеличением удельного объема зон активной диссипации энергии [38]. Так, переход от I к III группе структур бетонов сопровождается увеличением вовлеченных в работу хрупкого разрушения силовых связей материала более чем в 2,5 раза. Переход к мелко- и микроконгломератной структуре особовысокопрочных бетонов IV группы предопределяет совершенно иной механизм их разрушения. До уровня напряжений a/R порядка 0,9 трещин в образце не фиксируется (погрешность метода лазерной голографической интероферометрии на описанном оборудовании не превышает 300 нм; кроме того, для получения более полной картины фиксировались поля перемещений не только фронтальной, но и нижней поверхности образца). Разрушение таких бетонов носит ярко выраженный катастрофический характер. Удельный объем области псевдопластических деформаций оказывается меньше в 15 раз в сравнении с показателями для бетонов III группы. То есть переход от
Таблица 3
Свойства и характеристики процесса разрушения Значения свойств и характеристик для групп бетонов
I II III IV V
Предел прочности при сжатии, МПа 33-38 48-54 80-90 120-130 130-150
Предел прочности при изгибе, МПа 4,7-4,9 5,7-6,2 9,2-10,1 10,5-11,2 35-40
Модуль упругости, МПа -103 32-35 39-41 43-46 48-52 До 60
Вязкость разрушения, МН/м3/2 0,85-0,95 1-1,1 1-1,1 0,7-0,8 Более 2,5
Коэффициент Пуассона 0,2-0,21 0,18-0,19 0,16-0,17 0,14-0,15 0,22-0,29
Предельная растяжимость, мм/м 1,1-1,2 1,2-1,3 0,85-0,9 0,7-0,8 До 10
Удельная энергия разрушения, Дж/м2 75 105 270 280 Более 9000
rj научно-технический и производственный журнал
J^J ® март 2014 TT
Таблица 4
Показатели эффективности структур бетонов групп по критериям сопротивления разрушению
Удельные показатели Значения показателей для групп бетонов
I II III IV V
^изг/^сж 0,13-0,14 0,11-0,12 0,09-0,11 0,07-0,09 0,25-0,32
Дсж/кгЦ 0,1-0,11 0,11-0,12 0,15-0,16 0,21-0,28 0,21-0,28
Wn/Gic 0,16 0,32 0,11 0,12 0,5
Kic/кгЦ 2,5-2,6 2,4-2,5 2,2-2,4 1,6-2 4,5-5,6
V/V 0,05 0,06 0,12 0,02 0,31
Gic/кг 0,21 0,21 0,53 0,46 13-17
структур бетонов III группы к структурам бетонов IV группы картину деформирования меняет принципиально. При этом уместно отметить, что потенциал прочности структурных связей бетонов IV группы реализуется весьма слабо, составляя не более пятой части от потенциала работы структурных связей бетона III группы. Это следует из сопоставления объемов зон псевдопластических деформаций.
Высокотрещиностойкие бетоны V группы с многоуровневым дисперсным армированием структуры [35, 39—41] имеют существенно отличающийся механизм разрушения: наблюдается многоцикличное перераспределение напряжений с матрицы на армирующие волокна с участием контактной зоны как на стадии микротре-щиноообразования, так и на стадии макротрещино-образования; формируется не одна магистральная трещина, а сеть мезо- и микротрещин; начало образования такой сети приходится на уровень напряжений o/R = 0,4—0,43; область предразрушения не ограничивается узкой локализованной зоной в месте наибольших деформаций, а распространяется практически на весь деформируемый объем материала между опор. В итоге достижение предела прочности не является моментом потери целостности объема материала и не сопровождается его фрагментацией, поскольку совокупность армирующих элементов позволяет сохраниться материалу как единому целому. При дальнейшем деформировании происходит расширение уже образовавшихся трещин, на что затрачивается дополнительная работа. Применительно к таким высокотрещиностойким бетонам можно говорить о принципиально ином типе разрушения и о переходе от хрупкого типа разрушения к псевдопластическому. Такой переход обусловлен существенным изменением геометрии локализованных зон диссипации энергии при разрушении. В результате полные равновесные диаграммы деформирования сверхвысокопрочных бетонов с многоуровневым дисперсным армированием (бетоны V группы) существенно отличаются от таковых для неармированных бетонов (рис. 3) [38].
Переход к структурам бетонов V группы обеспечивает значительный рост всех показателей сопротивления разрушения: при сопоставимом уровне показателей прочности при сжатии (на уровне 140 МПа) может быть обеспечен рост трещиностойкости (вязкости разруше-
Список литературы
1. Баженов Ю.М., Фаликман В.Р., Булгаков Б.И. Наноматериалы и нанотехнологии в современной технологии бетонов // Вестник МГСУ. 2012. № 12. С. 125-133.
2. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1962. 96 с.
3. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушений. М.: Строй-издат, 1982. 196 с.
ния) в три-четыре раза, предельной растяжимости — на порядок, а полной работы разрушения — более чем в 30 раз. И это все является следствием изменения условий диссипации энергии внешнего воздействия в целенаправленно сконструированной структуре композита [38].
Реализуя технологические платформы, их принципы и механизмы формирования структур бетонов, предлагаемые варианты технологических решений, важно иметь в виду характеристики технико-экономической эффективности для бетонов различных структурных групп и различного потенциала сопротивления разрушению.
Такую эффективность целесообразно оценивать следующими удельными показателями:
— Rmr / Д.ж — отношение предела прочности при изгибе к пределу прочности при сжатии;
— R^ /кгЦ — удельная прочность при сжатии, отнесенная к расходу цемента, МПа/кг;
— Wn / G-[c — доля работы микротрещинообразования в общей работе разрушения;
— KIc /кгЦ — удельная вязкость разрушения, отнесенная к расходу цемента, кН/м3/2 /кг;
— Vt / V— удельный объем материала в зоне локализации псевдопластических деформаций;
— G-[c /кг — удельная работа разрушения, отнесенная к расходу цемента, Дж/м2.
Изменение характера деформирования и разрушения бетонов, достигаемое целенаправленным конструированием структуры, предопределяет эффективность его работы по критериям сопротивления разрушению (табл. 4).
Изложенным комплексным рассмотрением проблемы формирования структуры современных бетонов обеспечивается реализация возможностей системно-структурного методологического подхода к управлению потенциалом их сопротивления разрушению, их конструкционным потенциалом, расширяются основы компьютерного [42] конструирования структур композитов.
Авторам представлялось важным изложить это в формате единой публикации, определяющей предпосылки обсуждения вопросов технологических платформ производства бетонов, фундаментальной научной базы этих платформ, технических параметров их реализации и экономической эффективности.
References
1. Bazhenov Yu.M., Falikman V.R., Bulgakov B.I. Nanomaterials and nanotechnology in modern concrete technology. Vestnik MGSU. 2012. № 12, pp. 125-133 (In Russian).
2. Berg O.Ya. Fizicheskie osnovy teorii prochnosti betona i zhelezobetona [Physical basis of the theory of strength of concrete and reinforced concrete]. М.: Gosstroiizdat, 1962. 96 p. (In Russian).
3. Zaitsev Yu.V. Modelirovanie deformatsii i prochnosti betona metodami mekhaniki razrushenii [Simulation of defor-
4. Карпенко Н.И. Общие модели механики бетона. М.: Стройиздат, 1996. 416 с.
5. Лермит Р. Проблемы технологии бетона. М.: Стройиздат, 1959. 294 с.
6. Чернышов Е.М. Управление сопротивлением конгломератных строительных композитов разрушению (основные концепции и вопросы теории) // Вестник гражданских инженеров. 2009. № 3 (20). С. 148—159.
7. Дересевич Г. Механика зернистой среды. В сб. «Проблемы механики». Вып. 3. М., 1961.
8. Кандауров И.И. Механика зернистых сред и ее применение в строительстве. М.: Стройиздат, 1966. 320 с.
9. Москвин В.Н., Тринкер Б.Д. Подбор состава бетона с учетом поверхности и пустотности заполнителей. В кн. Исследования. Бетоны и вяжущие. М.: Госстрой-издат, 1955.
10. Макридин Н.И., Королев Е.В., Максимова И.Н. Структурообразование и конструкционная прочность цементных композитов. Москва: МГСУ, 2013. 152 с.
11. Белов В.В., Смирнов М.А. Формирование оптимальной макроструктуры строительной смеси // Строительные материалы. 2009. № 9. С. 88—90.
12. Куннос Г.Я. Вибрационная технология бетона. Л.: Стройиздат, 1967. 168 с.
13. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ. М.: Промстройиздат, 1951. 547 с.
14. Скрамтаев Б.Г. Теория прочности бетона. Новые виды бетонов. Харьков: Гостехнаучиздат Украины, 1934. 56 с.
15. Abrams D.A. Design of concrete mixtures. Bulleten 1: Structural Materials Research Laboratory. Chicago: Lewis Institute, 1918.
16. Bolomey J. Deformation elastigues, plastigueset de retrait de guelguesbetons // Bulleten technique de la Suisse Romande. 1942. № 15. ann. 68.
17. Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. М.: Стройиздат, 1989. 188 с.
18. Чернышов Е.М., Артамонова О.В., Коротких Д.Н. и др. Приложения нанохимии в технологии твердофазных строительных материалов: научно-инженерная проблема, направления и примеры реализации // Строительные материалы. 2008. № 2. С. 32-36.
19. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: АСВ, 2006. 368 с.
20. Батраков В.Г., Батраков В.Г., Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Силина А.В. Модифицированные бетоны в практике современного строительства // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 9. С. 23-25.
21. Гусев Б.В., Зазимко В.Г. Вибрационная технология бетона. Киев: Будiвельник, 1991. 158 с.
22. Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. М.: Стройиздат, 1986. 208 с.
23. Ларионова З.М. Образование гидросульфоалюмината кальция и его влияние на основные свойства быстрот-вердеющего цемента. М.: НИИЖБ, 1959. 64 с.
24. Пинус Э.Р. Контактные слои цементного камня в бетоне и их значение. В кн. Структура, прочность и деформации бетонов / Под ред. А.Е. Десова. М.: Стройиздат, 1966. С. 290-293.
25. Шейкин А.Е. Структура, прочность и трещиностой-кость цементного камня. М.: Стройиздат, 1974. 192 с.
26. Бейлина М.И. Напрягающий цемент на основе сульфоалюминатного клинкера // Исследование и применение напрягающего бетона и самонапряженных железобетонных конструкций: Сб. научных трудов НИИЖБ. М.: Стройиздат, 1984. С. 15-23.
27. Михайлов В.В., Звездин О.А. Влияние дисперсного армирования минеральными волокнами на свойства
mation and strength of concrete methods of fracture mechanics]. M.: Stroiizdat, 1982. 196 p. (In Russian).
4. Karpenko N.I. Obshchie modeli mekhaniki betona [General mechanics model of concrete]. M.: Stroiizdat, 1996. 416 p. (In Russian).
5. Lermit R. Problemy tekhnologii betona [ Problems of Concrete Technology]. M.: Stroiizdat, 1959. 294 p. (In Russian).
6. Chernyshov E.M. Manage resistance conglomerate construction composites destruction (basic concepts and problems of the theory). Vestnik grazhdanskikh inzhen-erov. 2009. No. 3 (20), pp. 148-159 (In Russian).
7. Deresevich G. Mechanics of a granular medium. V sb. «Problemy mekhaniki». MY. 3. M. 1961 (In Russian).
8. Kandaurov I.I. Mekhanika zernistykh sred i eeprimenenie v stroitel'stve. M.: Stroiizdat, 1966. 320 p. (In Russian).
9. Moskvin V.N., Trinker B.D. Concrete mix, taking into account surface and emptiness aggregates. Vkn. Issledovaniya. Betony i vyazhushchie. M. Gosstroiizdat, 1962. (In Russian).
10. Makridin N.I., Korolev E.V., Maksimova I.N. Struk-turoobrazovanie i konstruktsionnaya prochnost' tsementnykh kompozitov [Structure formation and structural strength ce-mentitious composites]. M: MGSU, 2013. 152 p. (In Russian).
11. Belov V.V., Smirnov M.A. Formation of optimal macrostructure mortar. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 9, pp. 88-90 (In Russian).
12. Kunnos G.Ya. Vibratsionnaya tekhnologiya betona. L.: Stroiizdat, 1967. 168 p. (In Russian).
13. Yung V.N. Osnovy tekhnologii vyazhushchikh veshchestv. M.: Promstroiizdat. 1951. 547 p. (In Russian).
14. Skramtaev B.G. Teoriya prochnosti betona. Novye vidy betonov. Khar'kov: Gostekhnauchizdat Ukrainy, 1934. 56 p. (In Russian).
15. Abrams D.A. Design of concrete mixtures. Bulleten 1: Structural Materials Research Laboratory. Chicago: Lewis Institute, 1918.
16. Bolomey J. Deformation elastigues, plastigueset de retrait de guelguesbetons. Bulleten technique de la Suisse Romande. 1942. No. 15. ann. 68.
17. Ratinov V.B., Rozenberg T.I. Dobavki v beton. M.: Stroiizdat, 1989. 188 p. (In Russian).
18. Chernyshov E.M., Artamonova O.V., Korotkikh D.N. i dr. anochemistry applications in solid-state technology of building materials science and engineering challenge, direction and implementation examples. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 2, pp. 3236 (In Russian).
19. Bazhenov Yu.M., Dem'yanova V.S., Kalashnikov V.I. Modifitsirovannye vysokokachestvennye betony. M.: ASV, 2006. 368 p. (In Russian).
20. Batrakov V.G., Batrakov V.G., Kaprielov S.S., Sheinfel'd A.V., Silina A.V. Modified concrete in the practice of modern construction. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2002. No. 9, pp. 23-25 (In Russian).
21. Gusev B.V., Zazimko V.G. Vibratsionnaya tekhnologiya betona. Kiev: Budivel'nik, 1991. 158 p. (In Russian).
22. Kuznetsova T.V. Alyuminatnye i sul'foalyuminatnye tse-menty. M.: Stroiizdat, 1986. 208 p. (In Russian).
23. Larionova Z.M. Obrazovanie gidrosul'foalyuminata kal'tsiya i ego vliyanie na osnovnye svoistva bystrotverdey-ushchego tsementa. M.: NIIZhB, 1959. 64 p. (In Russian).
24. Pinus E.R. Contact layers of cement paste in concrete and their meaning. V. kn. Struktura,prochnost'i deformat-sii betonov / Edit. Desova A.E. M.: Stroiizdat, 1966, pp. 290-293 (In Russian).
25. Sheikin A.E. Struktura, prochnost'i treshchinostoikost' tse-mentnogo kamnya. M.: Stroiizdat, 1974. 192 p. (In Russian).
26. Beilina M.I. Straining based cement sulphoaluminate clinker. Issledovanie iprimenenie napryagayushchego beto-na i samonapryazhennykh zhelezobetonnykh konstruktsii. Sbornik nauchnykh trudov NIIZhB. M.: Stroiizdat, 1984, pp. 15-23 (In Russian).
rj научно-технический и производственный журнал
M ® март 2014 13~
напрягающего бетона // Исследование и применение напрягающего бетона и самонапряженных железобетонных конструкций: Сб. научных трудов НИИЖБ. М.: Стройиздат, 1984. С. 39-47.
28. Звездин О.А., Мирошниченко К.К., Пунагин В.Н. Составы, компенсирующие усадку, на основе напрягающего цемента // Бетон и железобетон. 1989. № 4. С. 33-34.
29. Лейрих В.Э., Прохоров В.Х., Смирнов Б.И. Влияние условий образования и кинетики кристаллизации гидросульфоалюмината кальция на процессы расширения при твердении расширяющихся цементов // Труды ВНИИСТ. 1969. Вып. 22. С. 57-70.
30. Несветаев Г.В., Потапова Ю.И. Составы для инъек-тирования с двустадийным расширением // Науковедение. Интернет-журнал. 2013. № 3. С. 128. http://naukovedenie.ru/PDF/28trgsu313.pdf
31. Баженов Ю.М. Бетонополимеры. М.: Стройиздат, 1983. 472 с.
32. Бабков В.В., Мохов В.Н., Капитонов С.М., Комо-хов П.Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. Уфа: [б. и.], 2002. 371 с.
33. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И. Неоднородность структуры и сопротивление разрушению конгломератных строительных композитов: вопросы материаловедческого обобщения и развития теории / Под общ. ред. Е.М. Чернышова. Воронеж: ВГАСУ, 2012. 98 с.
34. Щуров А. Ф., Ершова Т. А. Природа хрупкого разрушения цементного камня. В сб. Физика хрупкогораз-рушения. Ч. 2. Киев, 1976. С. 99-102.
35. Коротких Д.Н. Закономерности разрушения структуры высокопрочных цементных бетонов на основе анализа полных равновесных диаграмм их деформирования. Ч. 1 // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2012. № 26. С. 56-67.
36. Комохов П.Г., Пухаренко Ю.В., Беленцов Ю.А., Харитонов А.М. Повышение трещиностойкости бетонных и железобетонных конструкций за счет ар-модемпфирования // Промышленное и гражданское строительство. 2008. № 4. С. 24-26.
37. Пухаренко Ю.В., Голубев В.Ю. Высокопрочный ста-лефибробетон // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 9. С. 40-41.
38. Чернышов Е. М., Коротких Д. Н. Феноменология локализованных зон активной диссипации энергии при деформировании и разрушении современных бетонов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 31. Ч. 2. С. 212-222.
39. Коротких Д.Н. Многоуровневое дисперсное армирование структуры бетонов для повышения их вязкости разрушения // Вестник гражданских инженеров. 2009. № 3. С. 126-128.
40. Коротких Д.Н., Чернышов Е.М. Наноармирование структуры цементного камня кристаллами эттрин-гита как средство повышения трещиностойкости бетонов // Научный вестник Ворон. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. 2008. № 1. С. 67-75.
41. Коротких Д.Н. Дисперсное армирование структуры бетона при многоуровневом трещинообразо-вании // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 96-99.
42. Баженов Ю.М., Воробьев В.А. Задачи компьютерного материаловедения строительных композитов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2000. № 12. С. 25.
27. Mikhailov V.V., Zvezdin O.A. Effect of particulate reinforcement on the properties of mineral fibers exerting concrete. Issledovanie i primenenie napryagayushchego betona i samonapryazhennykh zhelezobetonnykh konstrukt-sii. Sbornik nauchnykh trudov NIIZhB. M.: Stroiizdat, 1984, pp. 39-47 (In Russian).
28. Zvezdin O.A., Miroshnichenko K.K., Punagin V.N. Formulations compensating shrinkage of cement-based straining. Beton i zhelezobeton. 1989. No. 4, pp. 33-34 (In Russian).
29. Leirikh V.E., Prokhorov V.Kh., Smirnov B.I. Influence of the conditions of formation and crystallization kinetics of hydro-sulfoaluminate calcium expansion during solidification processes of expanding cements. Trudy VNIIST. 1969. No. 22, pp. 57-70 (In Russian).
30. Nesvetaev G.V., Potapova Yu.I. Formulations for injection with two-stage expansion. Naukovedenie. Internet-zhurnal. 2013. No. 3, pp. 128. http://naukovedenie.ru/ PDF/28trgsu313.pdf (In Russian).
31. Bazhenov Yu.M. Betonopolimery. M.: Stroyizdat, 1983. 472 p. (In Russian).
32. Babkov V.V., Mokhov V.N., Kapitonov S.M., Komo-khov P.G. Strukturoobrazovanie i razrushenie tsementnykh betonov. Ufa: 2002. 371 p. (In Russian).
33. Chernyshov E.M., D'yachenko E.I., Makeev A.I. Neodnorodnost'struktury i soprotivlenie razrusheniyu kon-glomeratnykh stroitel'nykh kompozitov: voprosy material-ovedcheskogo obobshcheniya i razvitiya teorii / Edit. Chernyshova E.M. Voronezh: VGASU, 2012. 98 p. (In Russian).
34. Shchurov A.F., Ershova T.A. Nature of brittle fracture of cement stone. Vsb. Fizika khrupkogo razrusheniya. Part 2. Kiev, 1976, pp. 99-102 (In Russian).
35. Korotkikh D.N. Laws governing the structure of high-strength cement concrete on the basis of analysis of the total equilibrium diagrams of their deformation (part 1). Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektu-ra. 2012. No. 26, pp. 56-67 (In Russian).
36. Komokhov P.G., Pukharenko Yu.V., Belentsov Yu.A., Kharitonov A.M. Increased fracture toughness of concrete and reinforced concrete structures due to the damping. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2008. No. 4, pp. 24-26 (In Russian).
37. Pukharenko Yu.V., Golubev V.Yu. High-strength steel fiber-reinforced concrete. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2007. No. 9, pp. 40-41 (In Russian).
38. Chernyshov E. M., Korotkikh D. N. Phenomenology of localized areas of active energy dissipation during deformation and fracture of modern concrete. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2013. No. 31. Part 2, pp. 212-222 (In Russian).
39. Korotkikh D.N. Multilevel particulate reinforcement of concrete structures to improve their fracture toughness. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2009. No. 3 (20), pp. 126-128 (In Russian).
40. Korotkikh D.N., Chernyshov E.M. Nanoreinforcement cement stone structure ettringite crystals as a means of increasing the fracture toughness of concrete. Nauchnyi vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2008. No. 1, pp. 67-75 (In Russian).
41. Korotkikh D.N. Dispersed reinforcement concrete structure with multilevel cracking. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 3, pp. 96-99 (In Russian).
42. Bazhenov Yu.M., Vorob'ev V.A. Problem of computer materials construction composites. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2000. No. 12, p. 25 (In Russian).
