Деградационное разрушение бетона это

Обновлено: 16.05.2024

Расчет долговечности железобетонных конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Селяев В. П.

Представлены модели для оценки долговечности железобетонных конструкций, работающих в условиях действия агрессивных сред. Предложены дополнительные показатели качества для бетона и арматуры, которые необходимо нормировать при расчете долговечности. Показано, что в общем случае вид модели деградации изделия не зависит от вида энергии разрушения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Селяев В. П.

Прогнозирование ресурса железобетонных монолитных плит перекрытия Оценка надежности и долговечности железобетонных плит, изготовленных методом безопалубочного формования на длинных стендах Вероятностные методы оценки долговечности железобетонных изгибаемых элементов Долговечность железобетонных конструкций с полимерными покрытиями Методика и результаты экспериментальных исследований на прямых моделях обычных железобетонных конструкций влияния переменной и постоянной нагрузки на прочность опытных образцов и коррозионные характеристики арматуры i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы. i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Расчет долговечности железобетонных конструкций»

РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Представлены модели для оценки долговечности железобетонных конструкций, работающих в условиях действия агрессивных сред. Предложены дополнительные показатели качества для бетона и арматуры, которые необходимо нормировать при расчете долговечности. Показано, что в общем случае вид модели деградации изделия не зависит от вида энергии разрушения.

Долговечность — один из важнейших показателей качества строительных конструкций. Считалось, что бетонные и железобетонные конструкции имеют неограниченную долговечность; более того, прочность бетона конструкции, следовательно, долговечность со временем увеличивается. Однако данные обследований показывают, что из-за меняющихся условий эксплуатации и нарушения технологических процессов железобетонные конструкции, запроектированные без учета требований долговечности, могут прийти в аварийное состояние в течение 5—10 лет и ранее. Известны примеры, когда железобетонные конструкции разрушались через 10 лет, а иногда через 3 года [1].

Практика эксплуатации показывает, что каждое изделие и конструкция имеют определенную долговечность, которую необходимо уметь рассчитывать. Однако до сих пор нет теоретических методов вычислений, оценки и прогнозирования долговечности строительных конструкций, работающих при совместном действии силовых факторов и агрессивных сред. В пункте 6.1.2 СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции: основные положения» сформулировано требование: «Расчет бетонных и железобетонных конструкций по долговечности (исходя из расчетов по предельным состояниям первой и второй групп) следует производить из условия, по которому при заданных характеристиках конструкции (размерах, количестве, арматуре и других характеристиках), показателях качества бетона (прочность, морозостойкости, водонепроницаемости, коррозионной стойкости, температуростойкости и других показателях) и арматуры (прочности, коррозионной

стойкости и других показателях) с учетом влияния окружающей среды продолжительность межремонтного периода и срока службы конструкций здания или сооружения должна быть не менее установленной для конкретных типов зданий и сооружений». Однако не предложены расчетные модели, учитывающие деградацию бетона и арматуры при эксплуатации конструкций в агрессивных средах, не определены показатели качества бетона и арматуры, необходимые для этих расчетов. Поэтому проблема расчета долговечности бетонных и железобетонных конструкций является актуальной и требует незамедлительного разрешения.

В работе предпринята попытка предложить модели для оценки долговечности железобетонных конструкций при действии химически активных сред. На основании анализа расчетных моделей предложены дополнительные показатели качества бетона и арматуры, которые необходимо нормировать. Показано, что в общем случае модель деградации может быть единой, независимой от вида энергии, вызывающей деградацию.

Виды деградации бетонных и железобетонных конструкций. Деградация — процесс ухудшения эксплуатационных показателей качества строительных материалов и конструкций, интенсивность которого связана с действием силовых факторов, физических полей, химических веществ, живых организмов. Предельным состоянием деградации бетона, изделия или конструкции является разрушение. Поэтому можно считать, что деградация — это процесс разрушения материала.

На данном этапе развития теории деградации предложена нижеследующая классифи-

кация по виду агрессивного воздействия [16; 18; 19].

Физическая деградация — процесс ухудшения свойств изделий под действием полей (силовых, электрических, магнитных, температурных) и излучений.

Химическая деградация происходит под действием химически активных веществ — твердых, жидких или газообразных.

Биологическая деградация — разрушение, интенсивность которого связана с жизнедеятельностью живых организмов. Количество агрессивного вещества, его концентрация в жидкой или газовой среде определяется в данном случае биологическим процессом.

С энергетической точки зрения, ухудшение свойств и разрушение материалов и конструкций происходит под действием энергии, прикладываемой к материалу. Вид энергии (механической, физической, химической или биологической) может быть любым.

Независимо от вида энергии, природы разрушающего воздействия на материал можно выделить несколько механизмов деградации [16; 18; 19].

Первый механизм деградации характеризуется развитием процессов разрушения на границе раздела материала и агрессивной среды. Подобный механизм деградации назван гетерогенным и наблюдается при механическом (ударном) повреждении верхних слоев элементов железобетонных конструкций; протекании химического взаимодействия агрессивной среды с реакционно способными компонентами бетона на поверхности контакта среды и изделия; физических биоповреждениях; одностороннем действии высоких, очень низких или знакопеременных температур.

Второй механизм деградации характеризуется равномерным развитием процессов разрушения по всему объему материала. Этот механизм назван гомогенным. Наблюдается при равномерном по объему накоплении микроповреждений от силовых факторов (циклическое, длительное нагружение сжатых, растянутых элементов); химически активной среды, равномерно распределенной по объему материала, отрицательных или положительных температур, равных в любой точке объема; излучений (рентгеновских, магнитных, радиационных и т. д.).

Третий механизм деградации характеризуется неравномерным по объему накоплением повреждений. Он условно назван диффузионным и может проявляться при одностороннем действии температур, агрессивных сред, неравномерном распределении механических напряжений.

Подобие механизмов деградации при различных видах воздействия свидетельствует о единой природе разрушения материала на микроуровне и дает возможность создать общие модели, которые позволят прогнозировать долговечность бетонных и железобетонных конструкций при различных видах энергетического воздействия.

Очевидно, каждый вид деградации может быть описан какой-либо моделью деградации. Для выбора модели деградации необходимо учитывать особенности взаимодействия агрессивной среды с бетоном в изделии, арматурой, а также знать, какие изменения происходят в бетоне под действием агрессивной среды; изменение каких показателей следует контролировать для аналитического описания процесса деградации изделия или конструкции.

Взаимодействие агрессивной среды с бетоном и основные показатели химического сопротивления. Длительное действие агрессивных сред на бетон сопровождается ухудшением (деградацией) структуры и свойств материала. При этом визуально и инструментально можно выделить следующие явления: изменение прочности, жесткости, набухание, пластифицирование или охрупчивание композита, уменьшение концентрации одних структурообразующих компонентов и накопление других, изменение показателей поровой структуры, изменение цвета, размеров, веса образцов [6; 15; 16; 18; 19].

Из многообразия проявлений взаимодействия материала с агрессивной средой следует выделить два основных процесса: перенос агрессивной среды в объем материала и изменение упруго-прочностных показателей качества бетона в зоне деградации. По мнению С. Н. Алексеева, Ю. М. Баженова и В. М. Москвина [1; 4; 10], скорость и полнота коррозионных процессов в бетоне под действием жидких и газообразных сред в значительной степени зависят от скорости переноса среды в объем изделия и определяются первым законом Фика:

где / — диффузионный поток, т. е. количество вещества, проходящего через единицу площади в единицу времени; йе / йх — градиент концентрации вещества в растворе; й — коэффициент диффузии агрессивной среды.

В том случае, когда количество вещества, поступающего извне вглубь материала, не соответствует количеству отводимого вещества, для описания процесса изменения концентрации агрессивной среды по толщине изделия используют второй закон Фика:

где I — длительность действия агрессивной среды на бетон.

При наличии градиента гидростатического давления скорость подвода агрессивной среды и отвода продуктов описывается уравнением Дарси:

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где й ф — коэффициент фильтрации; АР — перепад давления на единицу длины; Q — количество фильтрата.

С учетом капиллярно-пористого строения структуры бетона предложено [13] процесс переноса агрессивной среды вглубь изделия описывать уравнением вида:

где П — пористость бетона; т — доля пор, заполненных водой; С — концентрация агрессивного компонента; йэ — эффективный коэффициент диффузии; — константа скорости растворения агрессивного компонента в поровой жидкости бетона; 51 — поверхность раздела агрессивной среды и поровой жидкости; / — время; х — координата, направленная от поверхности изделия вглубь бетона.

Для описания процесса влагопередачи через элементарный объем капиллярно-пористого тела С. В. Александровским [2] предложено дифференциальное уравнение влагопроводи-мости бетона следующего вида:

где С — влажность материала на поверхности; у — плотность материала; Н — функция гидратации бетона, определяющая собой количество химически связываемой влаги (кг) при гидратации цемента в единице объема бетона (м3).

Решения приведенных уравнений переноса (1—4) дают возможность определить координату продвижения агрессивной среды в бетон, следовательно, и ширину зоны, в которой происходит взаимодействие агрессивных компонентов среды с реакционноспособными компонентами бетона. Это одна из важнейших характеристик в теории сопротивления материалов агрессивным воздействиям. В литературе ее часто называют глубинным показателем [9].

В общем случае глубинный показатель а определяется формулой вида:

где к — константа скорости деградации; для неагрессивной среды. А. И. Минас предлагает [9] принимать ее равной 0,1 мм в год; у — показатель степени, который может быть меньше, равным или больше единицы. Теоретически показатель у получается равным 0,5 [16; 18; 19].

При диффузионном переносе среды предлагается [18] константу к определять по формуле вида:

где к(£) — коэффициент, величина которого зависит от точности инструментального определения изменения прочности бетона в зоне деградации.

Большинство исследователей считают, что зависимость типа 5 хорошо описывает изменение глубинного показателя при действии солей хлора. Предлагается значения констант к и у принимать равными соответственно к = (3,3-4,1); у = (0,45-0,55) [3].

В ряде литературных источников для определения координаты фронта карбонизации предлагается принять линейный закон изменения агрессивной среды от С0 на поверхности бетона до фронта химического взаимодействия и константу к определять по формуле:

где т0 — концентрация гидрооксида кальция в объеме цементного камня; С0 — концентрация углекислого газа; й — эффективный коэффициент диффузии.

Финские исследователи [3] при определении глубины карбонизации подтверждают возможность применения формулы (7), но уточняют ее поправкой Бейкера, которая учи-

тывает эффективную длительность процесса карбонизации:

хп — глубина карбониза-

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При сочетании внешнего давления и капиллярных сил для определения к имеем:

ции после и-го цикла увлажнения высыхания; td¡ — продолжительность ¡-го периода с условиями, благоприятными для развития процесса карбонизации; С1, С2 — соответственно влажность воздуха на поверхности изделия и объеме пор; в — количество влаги в парах. Поправка Бейкера позволяет учитывать те периоды, когда процесс карбонизации приостанавливается.

Хаккиненом [3] на основании экспериментального исследования глубины карбонизации предложено константу скорости деградации к определять зависимостью вида:

где Сет — коэффициент, характеризующий окружающую среду, принимаемый равным 1 и 0,5 для конструкций, соответственно закрытых от дождя и открытых; СаГг — коэффициент, учитывающий воздухововлечение, равный (1-0,7); В — класс бетона; а, в — параметры, зависящие от вида наполнителя.

Паррот [3] предложил глубину карбонизации определять на основе кислородной проницаемости бетона. Выражение для определения к имеет вид:

где П — проницаемость бетона для кислорода при 60 % относительной влажности; т0 — концентрация гидрооксида кальция в объеме цементного камня.

Де Ситтер и Кишитиани [3] предложили для определения глубины карбонизации константу к определить в зависимости от В / ц по формулам типа:

При гидростатическом давлении процесс переноса среды происходит преимущественно за счет фильтрации; предложено константу к определять по формуле вида:

где г — радиус капилляра; а — поверхностное натяжение; 0 — угол смачивания.

В. М. Бондаренко и В. И. Колчуновым предложено [5] глубинный показатель определять на основе энтропийной модели Гульдбер-га — Вааге зависимостью вида: а = а0 (1 - е

п), где а0 — предельная величина глубины повреждения; а — некоторая эмпирическая характеристика скорости, зависящая от вида среды бетона.

Экспериментальные исследования изменения глубинного показателя от длительности действия агрессивной среды на бетон проводились методом микротвердости. Методика исследований и полученные экспериментальные данные описаны в работах ученых кафедры строительных конструкций Мордовского государственного университета [1—3; 8; 16—19].

Впервые получены данные, которые показывают, как продвигается под действием агрессивных сред граница области разрушения вглубь объема образца (рис. 1).

Координата сечения у /їа

-14 суто к -56 суток - 155 суток

где п — вязкость жидкости.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При переносе жидкости за счет капиллярного всасывания предлагается [18] к определять по формуле:

Изменение микротвердости цементного камня (наполнение — шлак) в 2 % растворе И2Б04

Анализ экспериментальных данных подтверждает, что зависимость (5) при у = 0,5 с достаточной точностью описывает кинетику изменения глубинного показателя.

Второй важной характеристикой химического сопротивления бетонов является показатель интенсивности химического взаимодействия агрессивной среды с бетоном. В наших

работах предложено показатель интенсивности химического взаимодействия определять методом микротвердости. Относительное изменение микротвердости бетона под действием агрессивной среды дает возможность оценить изменение свойств материала в микрообъеме, проследить изменение свойств по высоте поперечного сечения образца. Существует прямая корреляционная зависимость между прочностью, модулем деформаций и микротвердостью.

Химическое взаимодействие среды и бетона происходит между реакционноспособными группами. Скорость распада химических связей под действием агрессивной среды описывается функцией вида:

где ес и с§ — концентрация реакционно-

способных компонентов в среде и материале; к — константа химической активности.

Если предположить, что показатели n и m в уравнении (15) равны единице и перенос среды обеспечивает концентрацию среды сс на одном уровне, то, решая уравнение (15) относительно сд, получаем функцию изменения во времени в виде:

Предполагая, что работоспособная площадь Ад поперечного сечения в бетоне пропорциональна концентрации реакционноспособных связей С,, можно записать: д’

Тогда предел прочности ад и модуль упругости бетона Ед можно определить по формулам:

Rg (t) = Rg0 eXP; (18)

Экспериментальные данные, полученные путем измерений микротвердости, подтвердили возможность достоверного описания изменения предела прочности и модуля упругости экспоненциальными функциями вида (18).

С учетом выражения (18) коэффициент химической стойкости будет иметь вид:

Экспоненциальная зависимость коэффициента химической стойкости от длительности действия среды была впервые экспериментально обоснована в работах И. Е. Путляева [20]. В наших работах предлагается коэффициент хи-

онной модели твердого тела [17] для описания изменений коэффициента стойкости и активности во времени предложена функция вида:

к = 1 — а$, к = 1 — к = а1Р. (20)

Анализ литературных данных показывает, что для описания изменения относительной прочности во времени можно использовать как экспотенциальную (19) зависимость, так и степенную (20). Но в каждом конкретном случае необходимо проверять, какая из них предпочтительнее. Так, обработка экспериментальных данных, приведенных в ГОСТе 25881-83, показывает, что степенная функция в данном случае более точно описывает результаты эксперимента.

Представленные показатели химического сопротивления а и кХа дают возможность рассчитывать долговечность изделий из бетонов, работающих в агрессивных средах. При этом модель деградации строится с учетом изохрон деградации, определенных экспериментально [16; 18; 19].

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Модели деградации для прогнозирования долговечности бетонных изделий. Каждому механизму деградации соответствуют определенные модели деградации. Общий вид деградационной функции можно представить выражением:

где I — время; Т — температура; а — напряжение; с — концентрация агрессивной среды; Н — геометрическая характеристика; а и а — параметры деградации.

Для элементов конструкций, работающих на осевое сжатие или растяжение, деградаци-онные функции жесткости и несущей способности равны:

= Л СУ (*, у, х)(Ьсс1у / Л О (г0, у, х)сЬс(&. (24)

Для изгибаемых элементов деградацион-ные функции жесткости и несущей способности имеют вид:

D(Wu)= ^E(t,y,x)y2dxdy I ^Е(10,у,х)уг<Ыу; (25)

Вид деградационной функции выбирают исходя из характера распределения агрессивной среды, напряжений по площади поперечного сечения и учитывая связь между различными деградационными функциями:

Предлагается [18] выделить основные типы деградации и представить их в виде феноменологических моделей. Феноменологические модели, представляющие собой эпюры модуля упругости или прочности по высоте поперечного сечения, в зависимости от вида изохрон деградации могут быть линейными и нелинейными, симметричными и несимметричными. В линейных моделях деградации положение изохрон характеризуется двумя параметрами а и а, где а — ордината фронта деструкции, характеризующая скорость деградации под действием напряжений и агрессивной среды; а — характеристика механизма деградации, определяемая как угол наклона прямолинейной изохроны к оси абсцисс (рис. 2 а). Если угол а равен нулю, то наблюдается деградация гетерогенного типа, применяемая для материалов, скорость взаимодействия которых с агрессивной средой значительно выше скорости ее переноса в объем элемента. Если угол а равен п/2, то деградация происходит по гомогенному механизму и характеризуется большой скоростью насыщения материала агрессивной средой и малой скоростью химического взаимодействия.

Если скорость насыщения соизмерима со скоростью химических взаимодействий, то наблюдается диффузионный тип деградации и угол а изменяется в пределах от 0 до п/2.

Для описания деградации цементных композитов в кислых растворах малой концентрации в работе [17] предлагается модель, представленная на рис. 2 в. Она применима для материалов, у которых на изохроне деградации можно выделить три зоны: 1) деструкции;

2) латентной деградации; 3) естественного твердения.

Феноменологические модели деградации

В процессе эксплуатации конструкции в условиях действия агрессивных сред обычно удобнее в качестве параметров деградации использовать глубинный показатель (а) и изменение свойств на поверхности элемента (а, Н, Е). Если в качестве упруго-прочностной характеристики принять модуль упругости, то с учетом модели, представленной на рис. 2 в, закон изменения Е по высоте поперечного сечения Н имеет вид:

Е(у) = Еуп при (Н/2 - а0) < у < Н/2;

Е(у) = Е1 при (Н/2 - а) < у < (Н/2 - а0);

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

при (Н/2 - а2) <у < (Н/2 - а^;

Е(у) = Етах при (Н/2 - а3) < у < (Н/2 - а2); (29)

при (Н/2 - а4) < у < (Н/2 - а3);

Е(у) = Е2 при 0 < у < (Н/2 - а4).

Деградационная функция жесткости элемента прямоугольного сечения с размерами Ь х Н при сжатии определяется выра-

Анализ разрушения бетона - Concrete fracture analysis


Бетон - широко используемый строительный материал во всем мире. Он состоит из заполнителя , цемента и воды. Состав бетона варьируется в зависимости от желаемого применения. Даже размер заполнителя может в значительной степени влиять на механические свойства бетона .

Содержание

Особенности бетона

Реакция на растягивающую и сжимающую нагрузку

Бетон крепок на сжатие, но слаб на растяжение. При приложении растягивающих нагрузок бетон легко разрушается. Причину этого явления можно объяснить следующим образом. Заполнители в бетоне способны воспринимать сжимающие напряжения, поэтому бетон выдерживает сжимающую нагрузку. Но во время растягивающей нагрузки образуются трещины, которые разделяют частицы цемента, которые удерживают агрегаты вместе. Это разделение частиц цемента вызывает разрушение всей конструкции по мере распространения трещины. Эта проблема в бетоне решается путем введения армирующих компонентов, таких как металлические стержни, керамические волокна и т. Д. Эти компоненты действуют как каркас всей конструкции и способны удерживать заполнители при растягивающей нагрузке. Это называется армированием бетона .

Свойства материала

Бетон можно отнести к хрупким материалам. Это связано с тем, что поведение бетона под нагрузкой полностью отличается от поведения пластичных материалов, таких как сталь . Но на самом деле бетон во многом отличается от идеальных хрупких материалов. В современной механике разрушения бетон считается квазихрупким материалом. Квазихрупкие материалы обладают значительной твердостью, близкой к твердости керамики, поэтому ее часто называют твердостью керамики. Причина твердости керамики может быть объяснена на основе докритического растрескивания, которое происходит во время загрузки бетона. Докритическое растрескивание в бетоне, которое предшествует окончательному разрушению , приводит к нелинейной реакции «напряжение-деформация» и поведению R-кривой. Таким образом, бетон приобретает твердость из-за докритического разрушения. Также бетон имеет неоднородную структуру из-за неравномерного состава в нем ингредиентов. Это также усложняет анализ бетона, приводя к неверным результатам.

LEFM и бетон

Линейная механика упругого разрушения дает надежные результаты в области пластичных материалов, таких как сталь. Большинство экспериментов и теорий в области механики разрушения сформулированы с учетом интересов пластичных материалов. Но если мы сравним основные особенности LEFM с результатами, полученными при испытаниях бетона, мы можем найти их несущественными, а иногда и тривиальными. Например, LEFM допускает бесконечное напряжение в вершине трещины. Это не имеет смысла в реальном анализе бетона, где напряжение в вершине трещины фиксировано. А LEFM не может точно рассчитать напряжение в вершине трещины. Поэтому нам нужны другие способы узнать, что такое напряжение на вершине трещины и напряжение распределения около вершины трещины.

LEFM не может ответить на многие явления, демонстрируемые бетоном. Некоторые примеры

  • Размерный эффект (некоторые свойства сильно зависят от размера выбранного образца).
  • Необъективность анализа методом конечных элементов из-за зависимости от размера ячейки.
  • Понятие энергии разрушения или энергии трещины в LEFM не известно.
  • Неспособность объяснить деформационное размягчение или квазимягчение бетона.

Зона процесса разрушения (FPZ) в бетоне

В LEFMPA во время растрескивания не упоминается какая-либо конкретная область между областью, которая имеет трещину, и областью, которая нет. Но очевидно, что в бетоне есть какое-то промежуточное пространство между треснувшим и непотрещенным участком. Эта область определяется как Зона процесса разрушения (ЗПР) . FPZ состоит из микротрещин, которые представляют собой мелкие отдельные трещины, расположенные ближе к вершине трещины. По мере распространения трещины эти микротрещины сливаются и становятся единой структурой, обеспечивая непрерывность уже существующей трещине. Так что действительно, FPZ действует как связующая зона между областью с трещинами и областью без трещин. Анализ этой зоны заслуживает особого внимания, поскольку он очень помогает предсказать распространение трещины и окончательное разрушение в бетоне. В стали (пластичной) FPZ очень мала, и поэтому деформационное упрочнение преобладает над деформационным разупрочнением. Также из-за небольшого размера FPZ вершина трещины легко отличить от металла без трещин. А в пластичных материалах FPZ является зоной текучести.

Когда мы рассматриваем FPZ в бетоне, мы обнаруживаем, что FPZ достаточно велик и содержит микротрещины. И когезионное давление все еще остается в регионе. Так что в этом регионе преобладает смягчение деформации. Из-за наличия сравнительно большого FPZ точного определения вершины трещины в бетоне невозможно.

Предпиковый и постпиковый отклик стали и бетона

Если мы построим график зависимости напряжения ( Паскаль ) от деформации ( процента деформации ) материала, то максимальное напряжение, до которого может быть нагружен материал, называется пиковым значением ( ). Поведение бетона и стали можно сравнить, чтобы понять разницу в их характеристиках разрушения. Для этого может быть выполнено нагружение с контролируемой деформацией образца из каждого материала без надреза. Из наблюдений можно сделать следующие выводы: ж т >

Предпиковый

  1. Сталь демонстрирует линейный упругий отклик до предела текучести и деформации примерно 0,1%. После этого он подвергается пластической деформации за счет внутренних дислокаций до деформации, соответствующей 25%.
  2. Бетон демонстрирует линейную реакцию на значение напряжения: 0,6 (60% от пикового напряжения), затем после внутреннего микротрещины вызывает пластический отклик до максимального значения напряжения ( ). Это пиковое значение наблюдается при деформации приблизительно 0,01%. ж т > ж т >
  1. Поведение металлов после пикового стресса по-прежнему остается дилеммой для ученых. После этого связывание пикового значения усложняет анализ и не имеет практической пользы.
  2. В зоне после пика бетон проявляет дополнительные деформации. В этой области наблюдается локальная трещина и упругая разгрузка. Также нельзя правильно определить деформацию в трещине, мы можем предпочесть модель смещения раскрытия трещины под напряжением (σ-COD) для целей анализа.

Механика разрушения бетона

Понятие энергии разрушения

Энергия разрушения определяется как энергия, необходимая для открытия единицы площади поверхности трещины. Это свойство материала, не зависящее от размера конструкции. Это можно хорошо понять из определения, что он определяется для единицы площади и, таким образом, влияние размера устраняется.

Энергия разрушения может быть выражена как сумма энергии создания поверхности и энергии разделения поверхности. Энергия разрушения возрастает по мере приближения к вершине трещины.

Энергия разрушения - это функция смещения, а не деформации . Энергия разрушения заслуживает первостепенной роли в определении предельного напряжения в вершине трещины.

Зависимость от размера сетки

При анализе бетона методом конечных элементов , если размер ячеек варьируется, то в зависимости от этого изменяется весь результат. Это называется зависимостью от размера ячейки. Если размер ячеек больше, то конструкция может выдерживать большее напряжение. Но такие результаты, полученные из анализа методом конечных элементов, противоречат реальному случаю.

Эффект размера

Основная статья: Влияние размера на прочность конструкции

В классической механике разрушения значение критического напряжения рассматривается как свойство материала. То же самое и с конкретным материалом любой формы и размера. Но на практике наблюдается, что в некоторых материалах, таких как обычный бетон, размер сильно влияет на значение критического напряжения. Таким образом, механика разрушения бетона рассматривает значение критического напряжения как свойство материала, а также параметр, зависящий от размера.

Соотношение размерного эффекта Бажанта

Это ясно доказывает, что размер материала и даже размер компонентов, таких как размер заполнителя, могут влиять на растрескивание бетона.

Вычислительные модели для анализа трещин

Из-за неоднородной природы бетона он реагирует на «аномалию» уже существующих моделей испытаний на трещины. И очевидно, что изменение существующих моделей потребовалось, чтобы они отвечали уникальным характеристикам механики разрушения бетона.

Более ранние модели

  • Возле вершины трещины имеется пластическая зона .
  • Значение критического напряжения является постоянным и равно пределу текучести в трещине.
  • Возле вершины трещины имеется пластическая зона.
  • Значение критического напряжения меняется вместе с производимой деформацией.

Основным недостатком обеих этих моделей было пренебрежение понятием энергии разрушения.

Модель фиктивной трещины или модель Хиллерборга

Модель, предложенная Хиллерборгом в 1976 году, была первой моделью для анализа разрушения бетона с использованием концепции энергии разрушения. В этой модели Хиллерборг описывает две области трещины, а именно:

  • Истинная или физическая трещина
  • Зона фиктивной трещины или разрушения (ЗПЗ)

В этой зоне на вершине трещины мы имеем максимальное напряжение = предел прочности бетона на растяжение.

Вдоль FPZ напряжение является непрерывным, а смещение - прерывистым.

Распространение трещины в FPZ начинается, когда критическое напряжение равно пределу прочности бетона на растяжение, и когда трещина начинает распространяться, напряжение не становится равным нулю. Используя график зависимости энергии разрушения от ширины трещины, мы можем рассчитать критическое напряжение в любой точке, включая вершину трещины. Таким образом, один из основных недостатков LEFM преодолевается с использованием подхода энергии разрушения. Направление распространения трещины также можно определить, указав направление максимальной скорости выделения энергии .

Понятие характерной длины Хиллерборг определил параметр, называемый характеристической длиной Хиллерборга ( ), который численно выражается как, л л знак равно E грамм σ 2 >>>

Характерная длина Хиллерборга может использоваться для прогнозирования хрупкости материала. По мере уменьшения величины характерной длины преобладает хрупкость, и наоборот.

Модель Crack Band

Предложенная Базантом и О в 1983 году, эта теория может хорошо атрибутировать материалы, однородная природа которых изменяется в определенном диапазоне случайным образом. Итак, мы выбираем для анализа какой-то конкретный более или менее однородный объем. Следовательно, мы можем определить напряжения и деформации. Размер этой области должен быть в несколько раз больше максимального совокупного. В противном случае полученные данные не будут иметь физического значения. Зона процесса разрушения моделируется полосами размазанной трещины. А чтобы преодолеть необъективность метода конечных элементов, мы используем критерий растрескивания по энергии разрушения.

Ширина трещины оценивается как произведение ширины полосы трещины и деформации элемента. При анализе методом конечных элементов ширина полосы трещины является размером элемента траектории процесса разрушения.

Бетонное покрытие - Concrete cover

Бетонное покрытие в железобетоне - это наименьшее расстояние между поверхностью встроенной арматуры и внешней поверхностью бетона ( ACI 130). Глубину бетонного покрытия можно измерить крышкой .

СОДЕРЖАНИЕ

Назначение бетонного покрытия

Бетонное покрытие должно иметь минимальную толщину по трем основным причинам:

  • для защиты стальныхарматурных стержней (арматуры) от воздействия окружающей среды с целью предотвращения их коррозии ;
  • обеспечить теплоизоляцию , защищающую арматурные стержни от огня, и;
  • чтобы арматурные стержни встраивались в достаточное количество, чтобы они не соскальзывали под нагрузкой.

Преждевременное разрушение корродированной стальной арматуры и расширение продуктов коррозии железа вокруг арматурных стержней являются одними из основных причин деградации бетона. Из углеродистой стали арматурных стержней защищен от окисления атмосферного кислорода высоким рН бетона интерстициальной воды. Поверхность железного прутка пассивируется до тех пор, пока значение pH выше 10,5. Пресная цементная вода имеет pH около 13,5, тогда как pH выделившейся цементной воды около 12,5 регулируется растворением гидроксида кальция ( портландита ). Углекислый газ, присутствующий в воздухе, медленно диффундирует через бетонное покрытие по арматурному стержню и постепенно вступает в реакцию с гидроксидами щелочных металлов ( КОН , NaOH ) и гидроксидом кальция, что приводит к карбонатизации гидратированного цементного теста. В результате pH цемента падает, и когда его значение ниже 10,5 - 9,5, поверхность стали больше не пассивируется и начинает корродировать. Таким образом, требуется достаточная толщина бетонного покрытия, чтобы замедлить процесс карбонизации арматурного стержня. Минимальный размер бетонного покрытия будет зависеть от встречающихся условий окружающей среды и должен быть толще, если бетон также подвергается воздействию влаги и хлоридов (близость к морю, использование антиобледенительной соли для мостов или дорог и т. Д.). Высококачественный бетон, изготовленный с низким соотношением воды и цемента (в / ц), будет иметь более низкую пористость и будет менее проницаемым для воды и проникновения агрессивных веществ (растворенный кислород, хлорид и т. Д.). Более толстое покрытие или более компактный бетон также уменьшат диффузию CO 2 в бетон, лучше защищая его от карбонизации и поддерживая более высокий pH в течение более длительного периода времени, тем самым увеличивая срок службы арматуры.

Структурные приложения

Бетонные покрытия часто используются при строительстве коммерческих зданий, домов, мостов, муниципальных образований, формирования бордюров и других объектов или проектов, требующих длительного срока службы . Бетонные и стальные арматурные стержни объединяются для создания прочных и упругих конструкций следующими способами:

  • При контакте друг с другом цементная паста и стальная арматура образуют нереактивную поверхностную пленку, предотвращающую коррозию.
  • Арматурные стержни или балки могут быть стратегически размещены по всему бетону для достижения необходимой опорной системы.
  • Связь, созданная при использовании арматуры и бетона, также может быть отнесена к ребристой поверхности арматуры. Это позволяет передавать напряжения от бетона к стали и от стали к бетону.
  • Бетон и сталь имеют одинаковые коэффициенты теплового расширения. При замораживании или нагревании они сжимаются и расширяются аналогичным образом, сохраняя необходимую структуру.

Руководящие указания

Национальные нормы и правила также определяют минимальные требования к покрытию, основанные на соответствующих местных условиях воздействия.

Другие национальные требования к бетонному покрытию
Страна Конкретный кодекс Диапазон бетонного покрытия
(мм)
Великобритания BS: 8110 25-50
Европа EN 1992 (EC2) диаметр +10 - 55
Соединенные Штаты Америки ACI: 318 40-75
Австралия AS: 3600 15-78
Индия IS 456 (2000) 20-75

Парадокс

Для защиты арматуры от коррозии в агрессивных средах требуется большая глубина покрытия (50–75 мм), но толстое покрытие приводит к увеличению ширины трещин в изгибаемых железобетонных элементах. Большая ширина трещин (более 0,3 мм) допускает проникновение влаги и химическое воздействие на бетон, что может привести к коррозии арматуры и разрушению бетона . Следовательно, толстые чехлы поражают ту самую цель, для которой они предназначены. Существует необходимость в разумном балансе требований к глубине покрытия и ширине трещины.

Возможное экономическое решение этого парадокса - размещение второго слоя коррозионно-стойкой арматуры, такой как арматура из нержавеющей стали или сетки, или арматура FRP в бетонном покрытии для распределения трещин.

Способы ведения галереи обложек


Барные стулья с металлическими пластиковыми наконечниками, поддерживающие арматуру, обеспечивают надлежащее покрытие на подвесной плите с каменными стенами из железобетона .


Пластиковые барные стулья, поддерживающие тяжелую арматуру на подвесной плите.

Как разрушить бетон: своими руками, химическим и термическим способами

Бетон – один из наиболее востребованных строительных материалов. Он обладает высокой прочностью и отличными эксплуатационными характеристиками. Бетон, как и любой другой строительный материал, подвержен влиянию множества разрушительных факторов. При выборе строительного материала необходимо учитывать его характеристики, в соответствии с условиями эксплуатации.

Трещины в бетоне Трещины в бетоне

Но, иногда необходимо разрушить бетонные сооружения, а для этого нужно знать, как это сделать. Многие думают, что разрушить бетонные сооружения можно только с помощью взрыва, но это не так. Сейчас даже существует специальная техника, которая предназначена для разрушения бетона.

В каких случаях разрушают бетонные сооружения?

Бетонные сооружения могут разрушаться по многим причинам, например, конструкцию больше нельзя использовать. Иногда строители разрушают старый фундамент дома для того, чтобы возвести более прочный.

Часто, на строительстве есть ненужные бетонные блоки, которые подлежат утилизации. Но, для того, чтобы их выбросить, их необходимо разрушить. Это можно сделать с помощью разных способов.

Разрушить бетонные блоки и сооружения можно с помощью взрыва, такой механический способ отлично подходит. Но, помимо него есть ещё несколько способов, они используются того, когда взрыв невозможен.

Методы разрушения бетона

Бетонные конструкции обладают высокой прочностью, поэтому их демонтаж представляет собой комплекс непростых работ. Сейчас существует несколько методов, каждый из которых используется в определённых случаях. Например, есть способ, который помогает разрушать бетон с помощью ультразвука.

К методам разрушения бетона относятся химические, механические и термические способы.

Механические способы

Механические способы разрушения бетона используются часто, с помощью таких способов любой строитель сможет ликвидировать бетонную конструкцию. Работнику понадобится кувалда, с ее помощью бетон разлетится на куски. Скорость разрушения будет зависеть от физической силы, которую будут прикладывать рабочие. Если необходимо разрушить большую бетонную конструкцию, то вам может понадобиться много времени. Для упрощения задачи, необходимо перфоратором сделать несколько дыр в конструкции, это позволит снизить прочность конструкции. Так рабочие смогут быстрее ликвидировать сооружение. Данный метод считается очень сложным, но его можно применять тогда, когда на строительстве нельзя применять специальную технику или электроинструменты.

Читайте также: