Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции - Рабинович Ф.Н.
ISBN 5-93093-306-5
Скачать (прямая ссылка):
При армировании мелкозернистых бетонов с ограниченной величиной зерен крупного заполнителя (до 10 мм) оптимальные значения диаметров армирующих элементов изменяются от 0,8 до 1,4 мм (II уровень), а в случае применения цементно-песча-ных растворов от 0,1 до 0,8 мм (III уровень). Расстояния между армирующими элементами в первом случае изменяются в пределах 5-20 мм, во втором 0,5-5 мм. При этих уровнях дисперсное армирование может быть непрерывным, а также дискретным с направленной и свободной ориентацией армирующих волокон.
Для армирования цементного камня наиболее приемлем диапазон волокон от 0,01 до 0,1 мм (IV уровень), а расстояния между волокнами в этом случае не должны превышать 0,5 мм. Применение более толстых волокон на данном уровне армирования теряет смысл, поскольку они попадают в эону С, и таким образом необходимое их объемное содержание для получения равноценного эффекта становится при прочих равных условиях настолько большим, что это нерационально с точки зрения расхода материалов и по технологическим соображениям.
3.1. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ОТОБРАЖЕНИЕ (МОДЕЛИРОВАНИЕ) СТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННОГО БЕТОНА
Структурное строение бетона, особенности механики его разрушения.
В соответствии с известными представлениями бетон рассматривают как гетерогенную среду с содержащимися в ней «врожденными дефектами», с явно выраженной неоднородной и неупорядоченной структурой, включающей зерна крупного и мелкого заполнителя, с нарушениями сплошности в виде неоднородного порового пространства и возможных трещин усадки.
Исходя из этого, бетон определяют как некоторую многоступенчатую систему со сложным иерархическим строением. В зависимости от вида дефектов и размеров неоднородных включений, содержащихся в объеме бетона, выделяют элементы структуры с разными уровнями их внутреннего строения: макро-, мезо-, микро- и субмикроструктуру [9]. В данной ситуации, как уже отмечалось ранее, важно оценить связи между параметрами подобной структуры и в соответствии с характером их влияния на процессы разрушения бетона установить принципы оптимального распределения (диспергирования) в его объеме армирующих компонентов, удовлетворяющих условиям их эффективной работы при эксплуатации конструкций.
При решении рассматриваемой задачи, связанной с моделированием системы дисперсного армирования, примем во внимание некоторые исходные положения, от- носящиеся к оценке механизмов разрушения бетона при силовых воздействиях. Результаты исследований в данной области подробно анализируются в фундаментальных работах [1,3-5,9,40,43,45]. Здесь остановимся лишь на некоторых аспектах этого наравления, имеющих отношение к решению поставленной задачи, и, связанных в основном с оценкой влияния структуры бетона на процессы развития трещин в его объеме, сопровождающиеся в конечном счете физическим разрушением материала.
В одном из первых исследований, проведенном еще в начале прошлого столетия и представленным в работе Б.Г. Скрамтаева [40], показано, что существенную роль в создании прочности бетона играет цементный камень, причем прочность самого цементного камня в значительной мере определяется его пористостью.
В исследованиях О.Я. Берга и его сотрудников [3, 4] установлено, что кинетика рузрушения бетона связана в большой мере с возникновением в его объеме, по мере роста нагрузки, трещин отрыва («микроразрушений»), которые объединяясь друг с другом образуют более крупные с последующим образованием магистральной трещины, приводящей к полному преодолению сопротивления материала.
Значительный вклад в создание теории прочности бетона сделал А.А. Гвоздев [5, 7]. Им, в частности, подчеркнуто, что неоднородная структура самого бетона создает поле возмущений напряжений, которое, взаимодействуя с полем напряжений от внешней нагрузки, приводит вследствие концентрации напряжений к возникновению силовых трещин и дальнейшему их развитию, зависящему в существенной мере от структуры материала.
Следует учитывать, что характер разрушения бетона, связанный с образованием и распространением трещин в его объеме, может существенно различаться в зависимости от соотношений между упругими и прочностными характеристиками компонентов структуры, от физического состояния и качества поверхности контактирующих твердых фаз. В нашем анализе считаем, что прочность крупного заполнителя в бетоне больше прочности цементной матрицы, а прочность сцепления в контактной области меньше прочности каждого из контактирующих материалов.
Если основываться на представлениях механики разрушения твердых тел (см., например [19]), то критическое напряжение (критическое значение коэффициента интенсивности напряжений К. ), при котором трещина в объеме твердого тела начи-
Iv
нает распространяться при постоянной внешней нагрузке (задача Гриффитса) составляет:
где E — модуль упругости материала;
у — плотность поверхностной энергии; V — коэффициент Пуассона; / — полудлина трещины.
Указанные положения механики разрушения, как и формула (З.А), разработаны для твердых тел с относительно однородной структурой. В данном случае практически любое значение, входящей в формулу (З.А) длины трещины, может оказаться критическим и привести к хрупкому разрушению при определенном значении а. При этом существенное значение приобретает не длина одиночной трещины, а локальное напряжение и пластическая деформация в ее вершине, зависящие в большей мере от формы (геометрического очертания) трещины —дефекта структуры. Понятно также, что при прочих равных условиях (при одном и том же очертании ансамбля дефектов в виде трещин) одиночная трещина, размер которой превосходит все остальные, наиболее опасна, ее развитие в однородном материале активизирует процесс хрупкого разрушения.
