А. М.ПОДВАЛЬНЫЙ, д-р техн. наук, Механизм проявления в бетоне собственных деформаций и напряжений
Основной компонент бетона - цементный камень и гидратированная масса цементного камня являются гетеро- и тонкопористыми структурами твердения, вследствие чего и бетон является пористым материалом. При контакте с жидкостью или с влажным воздухом происходит поглощение бетоном влаги путем капиллярного впитывания или капиллярной конденсации. В других условиях происходит удаление (испарение) влаги из бетона, который таким образом находится в состоянии постоянного обмена с внешней средой. Бетон содержит непрерывную связную сеть пор и капилляров различных размеров и диаметров и в нем при увлажнений устанавливается капиллярное равновесие, т.е. происходит самопроизвольное внутриструктурное перераспределение влаги. В капиллярах возникает отрицательное капиллярное давление, которое в структуре с податливыми стенками оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки, что приводит к значительной объемной деформации цементного камня и бетона. Возникает капиллярная контракция, выражающаяся в деформациях усадки бетона. При противоположных процессах возникают деформации набухания бетона. Если имеются препятствия проявлению усадки или набухания или они протекают неравномерно по объему, возникают напряжения. Деформации и напряжения, проявляющиеся без воздействия внешних сил и нагрузок, принято называть собственными.
Специфический и, возможно, практически наиболее важный случай собственных напряжений и деформаций связан с коррозией бетона. При проникании в него водных растворов, содержащих соли или другие химически активные соединения, происходят процессы, в результате которых в порах бетона образуются вещества, кристаллизующиеся с увеличением объема по сравнению с объемом исходных компонентов. Возникает внутрипоровое кристаллизационное или гидравлическое давление, приводящее к деформациям цементного камня и собственным напряжениям в бетоне. Такие случаи коррозии многочисленны, и к ним относится также морозное воздействие, при котором в порах бетона кристаллизуется лед.
Несмотря на множественность различных причин, приводящих к собственным деформациям и напряжениям, их феноменологический механизм представляется достаточно единообразным, поскольку все эти случаи вызываются расширением (давлением) или сжатием внутрипоровой фазы, приводящими к деформациям структуры, затем к напряжениям, при критическом значении которых в структуре образуются трещины. Известно большое число работ, посвященных явлениям, в которых определяющую роль играют собственные деформации и напряжения - влажностная усадка и набухание, сульфатная коррозия, морозостойкость и другие, но в указанной общей постановке проблема, насколько известно, не рассматривалась.
Введем представление о строении (структуре) бетона как об иерархическом (многоуровневом) конгломератном материале типа конгломерат в конгломерате” (рис.1), который представляет собой общую типовую схему проявления в бетоне и железобетоне собственных деформаций и напряжений. Процесс начинается в гидратированной массе цементного камня - единственном пористом компоненте структуры обычного
Для расчета напряжений необходимо знание свободных деформаций компонентов. Значение температурных деформаций плотных компонентов - справочные данные об их коэффициентах температурного расширения КТР Значения внутриструктурных, т.е. на каждом структурном уровне, удельных деформаций пористых компонентов не могут быть определены экспериментально. Их можно вычислить на основании правила смеси”, если на каком-либо уровне они известны или определены экспериментально. Обычно это деформации бетона. “Правило смеси запишем в следующем виде:
Вследствие того, что собственные деформации малы и, как можно предположить, реализуются преимущественно через коагуляционные (не кристаллизационные) структурные связи, модули упругости компонентов, как свидетельствуют эксперименты [4], не играют существенной роли в этом деформационном процессе и в зависимость (4) не включены.
По формуле (4) и на основании схемы на рис.1, позволяющей осуществлять непрерывный переход с уровня на уровень, могут быть последовательно определены свободные деформации пористых компонентов на всех структурных уровнях, необходимые для оценки структурных напряжений. В таблице в качестве примера приводятся свободные температурные деформации пористых компонентов насыщенного водой замораживаемого бетона, испытывающего в диапазоне температур (ориентировочно от -8 до -35°С) аномальные деформации расширения.
Значение деформаций бетона ак=-10-1СГ61/град определено экспериментально; КТР плотных компонентов - справочные данные; приведен условный фазового перехода воды в лед. Деформации вычислены для типичного бетона состава по объему 0,16:0,09:0,25:0,5 (гидратированная масса: клинкерные реликты: мелкий заполнитель: крупный заполнитель). Как следует из данных таблицы, знамения деформаций расположились в логичную схему. Их постепенное затухание при переходе от гидратированной массы (внутрипоровой фазы) к бетону объясняется увеличением при этом переходе объема не испытывающих этих деформаций инертных плотных компонентов.
Из таблицы следует, что во влажном бетоне и железобетоне при замораживании возникает резкая дифференциация свободных деформаций компонентов, диапазон значений которой очень велик. Это обстоятельство объясняет интенсивность разрушительного воздействия мороза на бетон.
Подобным же образом, как в таблице, могут быть вычислены внутриструктурные свободные деформации компонентов бетона при его усадке, сульфатной коррозии и др.
В бетоне происходит наложение полей напряжений, возникающих вблизи плотных компонентов (щебня, песка, клинкера) на различных структурных уровнях. Трещины образуются там, где суммарные растягивающие напряжения о?, возникающие от сложения напряжений на всех структурных уровнях, превышают прочность на растяжение гидратированной массы Rr рассматриваемой как прочность в точке.
Уровень напряженного состояния бетона может быть оценен отношением
А.А.Гвоздев утверждал, что проверка феноменологических теорий и зависимостей должна проводиться путем установления их соответствия экспериментальным фактам [5]. Приведенные выше зависимости оказались необходимыми и достаточными для теоретического объяснения, подтверждения и прогноза многочисленных (более 50) экспериментальных данных и фактов, известных в области морозостойкости бетона [2]. Во всех случаях было установлено качественное и там, где информация это позволяла, количественное соответствие оценок и экспериментов. Было снято противоречие, отмеченное в классической работе [6] по сульфатостойности бетона, объяснен ряд фактов, касающихся поведения бетона в сухом и жарком климате и др. [21-
В качестве примера укажем еще, что формулы (1) и (2) объясняют высокую морозостойкость бетона на керамзитовом песке и гравии и низкую морозостойкость радиационнозащитных бетонов, изготавливаемых на металлическом заполнителе: низкий модуль упругое керамзита демпфирует структурные напряжения, а высокий чугунного скрапа приводит к их повышению; зависимость (5) объясняет повышение морозостойкости в ряду: бетон - раствор - цементный камень; зависимости (5) и (6) объясняют влияние прочности на стойкость и т.д. и т.п. Объяснение не единичных фактов, а их совокупности в рамках единой концепции существенно повышает вероятность того, что эта концепция действительно отражает объективные закономерности, присущие исследуемым явлениям.
Бетон и железобетон, 2007 №4