Влияние скорости нагружения на границы микротрещинообразования высокопрочных бетонов

Известно что разрушение бетона – сложный процесс, довольно протяженный во времени. Согласно теории О. Я. Берга, при статическом, динамическом, многократно повторяющемся и длительном нагружении начинаются микроразрушения, которые при дальнейшем росте нагрузок переходят в макроразрушения. Эти явления характеризуются обобщенными параметрами, определяющими нижнюю границу начала микроразрушений и верхнюю условную границу микротрещин.

Величина границ микротрещинообразования существенно зависит от структуры, технологии изготовления бетона, условий твердения и других факторов. Однако влияние скорости нагружения на изменение границ микротрешинообразования высокопрочных бетонов практически не исследовано.

Разрушение материала характеризуется некоторыми параметрами одним из которых является скорость. При больших скоростях возрастания внешней нагрузки процессы микроразрушений тормозятся, что приводит к увеличению предельной нагрузки выдерживаемой материалом до разрушения, т. е. происходит так называемое динамическое упрочнение материала.

Для определения влияния скорости нагружения в статическом (0,2–0,6 МПа/с) и динамическом (1000–2000 МПа/с) диапазонах на границы микротрещинообразования высокопрочных бетонов в ВИА им. В. В. Куйбышева были проведены экспериментальные исследования. Опытные образцы изготовлялись из бетонов марок М600–М1000 на цементе марки 600 Здолбуновского завода (табл. 1).

В качестве заполнителей использовали кварцевый песок с модулем крупности МКР = 1,72 и фракционированный гранитный щебень крупностью 5–20 мм. Все образцы твердели в естественных условиях.

Статические испытания проводили на прессе ДМВ-300. Часть призм испытывали ступенчатой нагрузкой по 0,1 разрушающей с выдержкой на каждой ступени 2–3 мин, а остальные – на постоянно возрастающую нагрузку со скоростью роста напряжений 0,2–1 МПа/с. Границы микротрещинообразования определялись в соответствии с методикой по изменению дифференциального коэффициента поперечной деформации ∆ν = ∆ε2/∆ε1 (где ∆ε2, ∆ε1 – приращения соответственно поперечных и продольных деформаций на данной ступени нагрузки, определяемые по показаниям тензосопротивлений с базой 50 мм, наклеенных на всех четырех гранях призм в продольном и поперечном направлениях).

Для определения влияния скорости роста нагрузки в статическом диапазоне на границе был применен также ультразвуковой метод измерения уровней микротрещинообразования. С этой целью был сконструирован специальный электронный блок-приставка к ультразвуковому прибору «Бетон-5», позволяющий с помощью светолучевого осциллографа Н-115 производить запись картины прохождения ультразвука в зависимости от уровня нагружения. Необходимо отметить, что подобная методика проведения эксперимента позволяла вести запись прохождения ультразвука в непрерывном режиме нагружения и осуществлять двойной контроль при определении границ. Сравнение экспериментальных данных показало что расхождение результатов, полученных указанными методами, не превышает 15%.

Испытания на однократную динамическую нагрузки проводили на гидродинамической установке в лаборатории натурных циклических испытаний ЦНИИСК им. Кучеренко. Время нагружения образцов составляло 0,040–0,1 с. Уровни микротрещинообразования определяли по кривой изменения дифференциального коэффициента поперечной деформации ∆ν. Запись деформации производили также с помощью осциллографа Н-115.

Анализ результатов эксперимента (табл. 2) показал, что скорость нагружения бетона практически не влияет на относительные уровни микротрещинообразования и, следовательно, абсолютные значения границ при динамическом нагружении оказываются выше чем при статическом. На величину практически пропорциональную увеличению коэффициента динамической прочности.

Уровни начала микротрещинообразования с ростом прочности бетона увеличиваются незначительно. Так, при увеличении прочности с 60 до 100 МПа уровень увеличился всего на 15%.

Заслуживает внимания зависимость, полученная для коэффициента динамического упрочнения КД.У., представляющего собой отношение призменной прочности бетона при динамическом нагружении к его призменной прочности при стандартных статических испытаниях. Известно что с повышением прочности бетона КД.У. снижается за счет снижения доли пластических деформаций. В целом это положение подтвердилось и в наших экспериментах. Однако для бетона марок М700 и М1000 были получены коэффициенты динамического упрочнения 1,36 и 1,51, которые значительно выше (соответственно на 11 и 23%) коэффициента динамического упрочнения для бетона марки М600. Очевидно, на рост КД.У. оказало влияние введение в бетонную смесь добавок СДБ и С-3, однако для окончательного вывода о характере влияния различных пластификаторов на динамическую прочность необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования на бетонах с широким диапазоном прочностей, изготовленных по единой технологии. Одновременно с увеличением КД.У. в опытах было отмечено снижение границы для этих бетонов (см. табл. 2).

Известно что параметр К = 1 - RTV/RПР характеризует относительную длительность и энергоёмкость процесса разрушения бетона при одноосном сжатии. Чем меньше отношение RTV/RПР, тем большей длительностью характеризуется процесс разрушения, и тем больше энергии затрачивается на разрушение. Следовательно, с точки зрения физики процесса разрушения повышение КД.У. и снижение уровня RTV являются взаимообусловленными явлениями.

Выводы
Скорость нагружения бетона практически не влияет на изменение относительных границ микротрещинообразования ( RT0/RПР и RT/RПР). Абсолютные значения при динамическом нагружении возрастают практически пропорционально увеличению коэффициента динамической прочности.

Введение СДБ и суперпластификатора С-3 повышает коэффициент динамического упрочнения бетона. Увеличение КД.У. связано с относительным снижением границы RTV, характеризующей энергоемкость процесса разрушения.