Р. К. ЮСУПОВ, канд.хим. наук (НИИЖБ), Пути развития механики разрушения бетона
Прогресс бетоноведения на современном этапе в значительной мере связан с развитием наших представлений в области механики разрушения бетона. Задача этого направления исследований состоит в формулировании наиболее общих критериев устойчивости бетона как при кратковременных, но предельно высоких механических воздействиях(прочность), так и при комплексном воздействии внутренних и внешних напряжений, а также окружающей среды — ее состава и температурных режимов в течение всего срока эксплуатации материала (долговечность).
До последнего времени механика разрушения бетона развивалась в традиционном русле, у истоков которого стояли Гриффитс, Ирвин, Каплан [1-3]. При этом задачи решались и продолжают решаться методами механики сплошной среды [4, 5]. Однако последовательное применение этих методов к бетону — материалу дискретному, существенно неоднородному в конечном счете неизбежно привело к противоречиям [6]. Попытки преодоления возникающих трудностей nyrew построения так называемой иерархической системы структуры бетона с выделением макро-, мезо- и микроуровней вряд ли можно считать успешными. Как хорошо известно, эта система отражает всего лишь внутреннюю конфигурацию зернистой среды бетона, предполагающую, что его базовая структура формируется крупным заполнителем, меж- зерновое пространство которого насыщено мелкой фракцией. В свою очередь, в межзерновом пространстве последней локализуется цементное тесто (камень). Однако последующее силовое навязывание в рамках иерархической системы признаков континуума неоднородным дискретным структурам растворной части бетона и его цементной составляющей не представляется обоснованным и по существу является признанием того, что на пути применения методов механики сплошной среды к процессу разрушения бетона существуют весьма жесткие ограничения и запреты. Их суть сводится к тому, что математический аппарат непрерывных функций, используемый механикой сплошной среды, применим только к континууму — сплошной однородной среде, внутри которой имеет место непрерывное распределение ее основных характеристик— плотности, напряжений и т.д. [7, 8]
Изложенные доводы позволяют считать, что стоящие перед бетоноведением задачи вряд ли могут быть успешно решены на пути продолжения применения только лишь методов механики сплошной среды, затушевывания и, по сути, игнорирования принципиальных особенностей дискретной и неоднородной структуры бетона.
Представляется очевидным, что для анализа строительно-технических свойств бетонов следует применять методы механики зернистой среды, которые предполагают всемерное подчеркивание дискретности и неоднородности структуры материала [9]. В отношении к зернистым средам высокой степени раздробленности зерен (в рамках фи- зико-химии дисперсных систем) было выдвинуто и обосновано положение о том, что прочность структур, формирующихся в этих средах, обусловливается не столько свойствами зерен (дисперсных частиц), сколько свойствами контактов между ними [10, 11].
Применение методов механики зернистой среды к бетонам уже привело к важным результатам, заставляющим совершенно иначе, нежели прежде, взглянуть на механику разрушения этого материала [12, 13]. Принципиально важным результатом первых исследований контактных взаимодействий в бетонах, открывающим новую страницу развития механики разрушения бетона, является то, что его прочность может рассматриваться как результат аддитивного сложения сил сцепления частиц клинкера в процессе гидратации его минералов. Это означает, что дефекты структуры бетона (трещины, другие неоднородности) если и присутствуют, не оказывают сколько-нибудь существенного влияния на прочность бетона Иначе говоря, либо в устье трещины нет концентрации напряжений, что неизбежно диктуется механикой сплошной среды, либо трещины преимущественно локализованы в периферийных зонах, существенно не влияющих на прочность бетона. И, еще раз перефразируя, механику сплошной среды если и возможно применять к анализу процесса разрушения бетона, то крайне осторожно и с очень жесткими ограничениями.
Еще одним важным результатом применения механики зернистой среды к бетонам явилось обоснование принципиально нового механизма деструкции, который не предполагает участие трещин вообще, и происходит путем разрушения арочных структур, образованных зернами (дисперсными частицами) в среде бетона. Существенной особенностью этого механизма деструкции является то, что зона его действия может быть локализована в достаточно ограниченных объемах, содержащих не более 1000 зерен (дисперсных частиц) и имеющих линейный размер порядка 100 мкм. Накопление таких локальных зон деструкции, например, при попеременном замораживании и оттаивании бетона соответствует постепенной утрате им несущей способности и в конечном счете обусловливает его разрушение [12, 14].
Механика зернистой среды бетона только зарождается. Еще предстоит очень многое сделать. Одна из первоочередных задач состоит в формулировании понятия трещины и определения ее роли в зернистой среде. Оно должно принципиально отличаться от традиционного, принятого в механике сплошной среды взгляда на трещину, согласно которому она выступает в роли мощнейшего концентратора напряжений. В целом и на данном этапе, и в более отдаленные периоды развития механики зернистой среды бетона приоритеты должны находиться в сфере выявления принципиальных отличий в механическом поведении зернистых(дисперсных)капиллярно-пористых материалов и сплошных твердых тел
Прогресс механики зернистой среды бетона нельзя представить без неразрывного связанного с ним развития экспериментальных исследований контактных взаимодействий зерен (дисперсных частиц). Эти взаимодействия выступают в качестве первопричины по отношению к строительно-техническим свойствам бетона как на стадии смеси, так и при его эксплуатации как конструкционного материала. Вместе с тем в исследованиях контактных взаимодействий решается еще одна из важнейших задач современного бетоноведения, рассмотрение которой выходит за пределы данного изложения, а именно: развитие представлений о физикохимических механизмах структурообразования в процессах гидратационного твердения минеральных вяжущих веществ и бетонов на их основе. Таким образом, как исследования в области механики зернистой среды, так и изучение контактных взаимодействий в бетонах, вместе взятые, являются неизбежными этапами на пути прогресса бетоноведения в XXI веке.
Бетон и железобетон, 2001 №5