CC BY
12
УДК 693.547.3
doi: 10.55287/22275398_2021_4_28
РОЛЬ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ
Р.Т. Бржанов, К.М.Шайхиева Г. К.Садуева
НАО Каспийский университет технологии и инжиниринга
им.Ш. Есенова, Актау, Казахстан
Аннотация.
В данной статье рассматриваются структурно-механические факторы, их влияние на прочность и другие физико-механические характеристики композиционных материалов, в частности, усадочных напряжений капилляр-но-сорбционной и температурной природы. Основным фактором по уровню внутриструктурных напряжений в цементных бетонах является влажност-ная усадка, развивающаяся при твердении и эксплуатации бетонных и железобетонных изделия и конструкций в воздушных условиях. Воздушные условия, связанные с пониженной влажностью среды, вносят значительные аномалии в развитие структуры и формирование прочности цементного камня и цементных бетонов. В общем случае дефицит влаги снижает скорость гидратации вяжущего, приводит к ухудшению дифференциальной пористости цементного камня и развитию внутриструктурных напряжений, что в целом отрицательно влияет на прочность.
Лишь в последние годы эти вопросы начали исследоваться и оцениваться при рассмотрении задач взаимосвязи структуры и прочности цементных бетонов [1], наполненных полимерных композиций [2], битумно-минеральных композиций (асфальтовых бетонов) [3].
Рассмотрение роли воздушных условий твердения следует начать с оценки влияния степени насыщения водой порового пространства (влажности) на прочность сформировавшегося цементного камня (це-ментно-песчаного раствора) с фиксированной капиллярно-пористой структурой. Наиболее полно такая оценка сделана 3. Н. Цилосани [4], показавшего, что при водонасыщении или сушке цементного камня на его прочность дополнительное влияние оказывают два силовых фактора, сорбционный и капиллярное стягивание.
Адсорбционное понижение прочности Ра при смачивании сухого капиллярно-пористого материала обусловлено, во-первых, резким снижением поверхностного натяжения твердой фазы в вершинах микротрещин и клиновидных микродефектов по П. А. Ребиндеру Р0, во-вторых, применительно к цементному камню — снижением сорбционного обжатия тонкодисперсных элементов кристаллогидратного сростка. При водонасыщении прочность снижается по мере роста полноты смачивания поверхности, и после полного смачивания высокодисперсной фазы кристаллогидратного сростка цементного камня влияние адсорбционного понижения прочности достигает максимума (рис. 1), оставаясь далее на постоянном уровне Ра = 0.
Ключевые слова:
Капиллярно-пористая структура, цементный камень, водо-насыщение, деформации усадки, усадочные напряжения, структурный дефект. История статьи: Дата поступления в редакцию 22.12.21
Дата принятия к печати 25.12.21
100%
Степень водонасыщения АУ
Рис 1. Характер влияния водонасыщения на прочность цементного камня и цементных бетонов: Rb- прочность в водонасыщенном состоянии; PK- повышение прочности в результате действия капиллярного стягивания; P - адсорбционное понижение прочности
О
г
М
О
Капиллярное стягивание Рк с повышением водонасыщения возникает с появлением капиллярных менисков. Они формируются сначала в тонких капиллярах, имеющих малый радиус при высоком значении силы капиллярного давления, а далее радиусы капиллярных менисков возрастают, снижается величина капиллярного давления, но в силу роста площади менисков в единице объема суммарное стягивание нарастает, проходя через максимум. После полного водонасыщения капиллярные мениски исчезают, при этом исчезает капиллярное стягивание. Совместное действие названных фактором дает интегральную зависимость прочности капиллярно-пористого тела от его влажности Rb = Pь + Рк+ Ра =f(w) в виде ^-образной кривой (рис. 1, 2), где Rb — прочность материала в водо-насыщенном состоянии.
СО
я
Ь)
5 X
и *
£ о
Л
Он
ей £ Л
ь о о
К
ЕГ О
Он
С
8 6
V
0 4 8 1 2 1 6 20 24
Процент насыщения образцов по объему
0 0.25 0.5 0.75 1
Влажность по относительному объему заполнения порового пространства
Рис.2. Изменение прочности цементного-песчаного раствора на растяжение в зависимости от водонасыщения
5
< I
ЕВ Л
Ш Ю
* §
2 $ ^ а
2 > * £ 5
X
О £
к а с га х
X 2 х х о а
^ о и
Л ^
о а а
<
3
*
со О
X <
а ш
С нашей точки зрения описанный механизм влияния влажности на прочность по 3. Н. Цилосани не учитывает еще одного силового фактора, важного для композитных материалов типа цементного камня и цементных бетонов с матрицей, способной к проявлению усадки, и заполнителями (наполнителями) в виде дисперсных частиц высокой жесткости (высокого модуля упругости). Этим фактором являются усадочные напряжения, формирующиеся в матрице ячейки композита иа границе с включением, и, в частности, растягивающие напряжения. Усадочные напряжения растяжения этой природы, суммируясь с напряжениями сжатия сорбционного происхождения в отдельных элементах кристалле гидратного сростка и напряжениями сжатия от капиллярного стягивания, обусловливают в итоге прочность материала при определенной влажности.
В общем случае усадочные напряжения развиваются синхронно деформации усадки матрицы, а их уровень будет определяться величиной линейной усадки матрицы, значениями модулей упругости обеих фаз композита и соотношением объемных концентраций этих фаз. Строгий расчет усадочных напряжений в твердеющей конгломератной структуре бетона затруднен из-за отсутствия решения задачи теории упругости о распределении напряжений в объемной ячейке, имитирующей структуру цементно-песча-ного раствора (бетона), представляющую собой усаживающуюся цементную (цементно-песчаную) матрицу с объемным множеством близко расположенных (взаимодействующих) структурных включений конечной жесткости (определенного модуля упругости).
Расчет усадочных напряжений в структуре композитных материалов для случая малой относительной объемной концентрации заполнителя ф.п < 0,2 возможен на основе решений И. Гудьера [5] и Р. Эд-вардса [6] объемной задачи теории упругости для впаянного одиночного включения в условиях перепада температур ДТ, согласно которым радиальные сжимающие (или растягивающие) напряжения и тангенциальные растягивающие (или сжимающие) напряжения <%> в наиболее нагруженной области матрицы на границе с одиночным сферическим включением определяются зависимостями:
а = (а. - а ) ДТ* Е. \(1\2(1+ ц. ) + (1 - 2 ц. ) * Е \ Е. ) ( 1 )
го 4 т ш' * т 4 4 г 1шу 4 г т7 * т т ' 4 '
а = — 1\2 а ( 2)
гс го у '
где а.п, ат — температурные коэффициенты линейного расширения; Е, Еш и ц.п, цш — модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов включения (гранулы заполнителя .п) и матрицы (ш). Заменив в данном случае температурную деформацию (а.п — аш) ДТ деформацией линейной усадки матрицы е5Ь , можно получить зависимости для расчета усадочных напряжений, связанных с усадкой цементного камня при потере капиллярной и адсорбционно-связанной воды.
Графическая интерпретация зависимости (1,2) применительно к усадочным напряжениям и линейной усадке £5Ь дана на рис.3.
Напряжения усадочной природы возрастают с повышением объемного содержания (концентрации) заполнителей ф.п .Приближенный анализ этих напряжений для реальных концентраций ф.п = 0,4 — 0,7, когда имеет место взаимное влияние включений, возможен на основе решения плоской задачи теории упругости, полученной для абсолютно жестких включений ,а для включений конечной жесткости — Ю.В. Осетинским и А.М. Подвальным [7], Д. Броксбанком и К. Эндрюсом. Имеются исследования, выполненных методом фотоупругости на плоских моделях композитной структуры. Известная условность этих расчетов связана с проблемой учета релаксации напряжений и определенным отличием напряженного состояния плоской и объемной моделей структур [8].
Рис 3.1. Модуль упругости матрицы E 10-4.мПа
03
г
м О
-I
м
Э СО
Рис 3.2. Объемное содержание заполнителя
Зависимости радиальных усадочных напряжений на границах включений и матрицы: Рис 3.- на границе одиночного сферического включения в виде их отношения к деформации усадки (объемное напряженное состояние; 1— модуль упругости включения Ет10-3=2,0 мПа; 2- 1,0; 3- 0,6; 4-0,3; 5 -0,1; 6-0,05; 7- 0,01 мПа); Рис. 4 — для случая взаимного влияния включений в виде отношения напряжений в точке С к напряжениям на границе одиночного включения (плоское напряженное состояние).
Особенностью внутриструктурного напряженного состояния усадочной природы для случая повышенной объемной концентрации заполнителей является развитие неблагоприятных в силу низких значений характеристик сцепления цементного камня с обычными плотными заполнителями нормальных напряжений растяжения на границе матрицы и включений с их наибольшим значением агс в точке С квадратичной структурной ячейки . Для регулярного расположения включений по квадратичной сетке в плоской модели критическая объемная концентрация ф, превышение которой обусловливает появление растяжения на границе фаз, составляет около 0,5. Для объемного случая при регулярном расположении сферических включений по кубической сетке критическая объемная концентрация ф составляет около 0,3. Относительный уровень внутриструктурных напряжений отрыва зависит от соотношения модулей упругости фаз ЕЛ Ет. В частности, для плоского случая при = 0,55 — 0,70 напряжение растяжения а при Е \ Ет = 11,4, что характерно для «молодого» малопрочного бетона в силу низкой жесткости цементной матрицы на ранней стадии твердения, в 4 — 6 раз выше по сравнению со случаем ЕЛ Ет = 2,5, характерным для зрелого бетона .
5
< I
ш га ш и
* Я
< 5
4 а
* 2 ■&
И
Ш 5
Ш I
5 щ
£ *
»5 к
< а
I !
36 Л
Я 1
0 щ
1 ¡5
< и
Я»
£ 13
* Л
Н о
а а
Прежде чем проанализировать последствия влияния высокого уровня расчетных усадочных напряжений на прочность, целесообразно оценить реальность этих уровней напряжений и, по возможности, степень релаксации напряжений рассматриваемой природы. Такая оценка возможна на основе экспериментальных данных по прямому измерению усадочных напряжений.
Нами в экспериментальных работах исследованы , что эти явления несколько смягчаются в при бетонировании конструкции при отрицательных условиях. Как было показано выше в твердеющем бетоне размер пор находится в пределах от нескольких мм. ( межзерновая пустотность) до нескольких микрон ( пористость цементного камня 10-5см ). А вода в узких капиллярах может замерзать при очень низких температурах [8].
ЛИТЕРАТУРА:
1. Славчева Г. С. Структура высокотехнологичных бетонов и закономерности проявления их свойств при эксплуатационных влажностных воздействиях //Воронеж: ВГАСУ-2009.-42 с. — 2009.
2. Razvi S. R., Saatcioglu M. Strength and deformability of confined high-strength concrete columns //Structural Journal. — 1994. — Т. 91. — №. 6. — С. 678-687.
3. Methods of increasing the initial strength of winter concrete. R. T. Brzhanov et al 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 451 012083
4. Gomes M, de Brito J. Structural concrete with incorporation of coarse recycled concrete and ceramic aggregates: durability performance //Materials and structures. — 2009. — Т. 42. — №. 5. — С. 663-675.
5. Erofeev К T. et al. Strength and deformability of cement stone, mortar and concrete during loading //Journal of Physics: Conference Series. — IOP Publishing, 2020. — Т. 1687. — №. 1. — С. 012032.
6. Eskisar T. Influence of cement treatment on unconfined compressive strength and compressibility of lean clay with medium plasticity //Arabian Journal for Science and Engineering. — 2015. — Т. 40. — №. 3. — С. 763-772.
7. Бржанов Р.Т. Причины деструктивных процессов при зимнем бетонировании. Материалы Международной научно-технической конферениции «Современные проблемы геотехники, механики и строительства транспортных сооружении» ,28-29мая 2010г.стр235-238
8. R T Brzhanov, M Zh Nigmetov. Oscillations of offshore drilling platforms on layerd anisotropic base \\ ICCATS 2020 IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 962 (2020) 032016 IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/962/3/032016
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Р.Т. Бржанов, К.М.Шайхиева, Г. К.Садуева. Роль собственных напряжениий в формировании физико-механических характеристик цементных бетонов. — Системные технологии. — 2021. — № 41. — С. 28—32. doi: 10.55287/22275398_2021_4_28
THE ROLE OF ITS OWN STRESS IN THE FORMATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF CEMENT CONCRETE R.T. Brzhanov1, K.M.Shaikhieva 2, Sadueva G. K.
NAO Caspian University of Technology and Engineering named after Sh. Yessenov, Aktau, Kazakhstan Abstract. Key words:
This article discussesstructural and mechanicalfactors, their influence onstrength сapШary-porous structure, cement stone, and other physical and mechanical characteristics of composite materials, in water saturation, shrinkage deformations, particular, shrinkage stresses of a capillary-sorption and temperature nature. The shrinkage stresses, structural defect. main factor in terms of the level of intrastructural stresses in cement concretes Date of receipt in edition: 22.12.21 is moisture shrinkage, which develops during the hardening and operation of Date o f acceptance for printing: 25.12.21 concrete and reinforced concrete products and structures in air conditions.
Air conditions associated with a reduced humidity of the environment introduce significant anomalies in the development of the structure and the formation of the strength of cement stone and cement concrete. In the general case, a moisture deficit reduces the rate of hydration of the binder, leads to a deterioration in the differential porosity of the cement stone and the development of intrastructural stresses, which in general has a negative effect on strength.
