Микротрещины в бетоне: материалы для ремонта бетонной поверхности

Трещины в бетонном монолите — причины появления и способы предотвращения

Появление трещин на поверхности бетонного монолита — тревожный сигнал, который нельзя игнорировать, так как нарушение структуры постепенно приводит к фрагментации плиты основания или перекрытия. От ошибок при бетонировании никто не застрахован, но чаще всего бетон трескается из-за грубых нарушений технологии и попыток сэкономить там, где никакие нормы не позволяют изменять порядок работ или компонентный состав смеси.

Порядок подготовки и заливки бетонных конструкций определен СП 20.13330 – СП 25.13330, он переносится в технологические карты ТТК при любых грамотно организованных работах, даже если речь идет о частном доме. Но далеко не всегда строители на месте соблюдают правила, а трещины могут возникнуть через несколько часов, дней и даже лет после окончания загрузки бетона в опалубку.

Типичные причины растрескивания бетона

Типичные ситуации, примеры и причины разрушения бетонного монолита будут приведены в этой статье. Хорошо знакомая строителям ошибка при работах с бетоном — добавление воды в раствор через несколько часов после заливки, когда первичное схватывание не дает провести виброуплотнение, и потеря пластичности становится очень заметной.

При увеличении водоцементного соотношения в растворе изменяется время гидратации, причем изменения возникают неравномерно, так как воды не поступает во все части опалубки одинаково. Уже через несколько часов, иногда дней, появляется характерная трещина — усадочная, которая имеет свойство прорезать все тело монолита.

Вероятнее всего, этот монолит на фото уже непригоден к дальнейшей эксплуатации. При ширине раскрытия от 0,3 мм такая трещина станет воротами для проникновения в бетон воды, что приведет к увеличению ее проема зимой. Детальное исследование покажет, что разошлись части конструкции, и внутреннее армирование уже не держит их достаточно надежно.

Рецепт тут только один — купить бетон и не разбавлять его водой из-за первичного схватывания. Гораздо разумнее провести виброукладку в установленный стандартами срок, иногда ее можно повторить, но не повышать пластичность, нарушая соотношение воды и цемента в растворе.

Виды трещин в бетонных монолитах и фундаментах

Трещины в монолите могут иметь разные размеры, глубину, форму и происхождение. У них типичные черты, а строительные нормы определяют допустимые величины раскрытия по ширине — расстоянию между краями на участке максимального расхождения. Для конструкций, описанных в СП 28.13330, наличие трещин считается критическим браком, но это касается особо ответственных проектов, где монолит будет находиться под давлением и воздействием жидкости или газа.

Нормы СП 63.13330, которые распространены на строительство малоэтажных жилых сооружений и создание фундаментов для коттеджей, несколько мягче. Поэтому в ряде случаев появление трещин не считается критической ситуацией:

• поверхностные волосяные до 0,1 мм, не проходящие в толщу монолита;
• усадочные до 0,3 мм для малоответственных конструкций или оснований малоэтажных сооружений;
• горизонтальные до 0,3 мм — представляют опасность для тяжелых конструкций, если проходят через весь монолит;
• комбинированные, вызванные отслоением арматуры — ситуация рассматривается индивидуально, но для ответственных нагруженных деталей появление таких трещин абсолютно критично.

Предотвратить появление первых двух трещин можно еще на этапе проектирования и составления ТТК — при проведении бетонной подготовки достаточно использовать на рыхлых и пучинистых грунтах бетон класса В7.5 в качестве уплотнения, чтобы снизить риск смещения частей основания. Цена этой смеси невысока, по количеству ее понадобится немного, зато эффект компенсации деформирующего усилия будет хорошим.

Усадочные трещины

Коварство усадочных трещин в том, что они могут появиться гораздо позднее, когда дело уже не в нарушении водоцементного соотношения и первичном проседании грунта под тяжестью раствора. Если такие повреждения возникли через несколько месяцев, то необходимо исследовать их на глубину. Поверхностные трещины можно заделать специальными ремонтными растворами.

Нагрузочные трещины

Другие опасные повреждения монолита в виде растрескивания возникают из-за распределения нагрузок в толще твердой смеси.

Пример — трещина соединения, которая проходит по линиям стержней арматуры в местах сложных сопряжений. Она может появиться от раннего нагружения основания, смещения грунта при замерзании, использования арматуры малого сечения. Вероятнее всего, защитный слой отойдет от арматуры, что понизит прочность конструкции из-за неоднородности.

Сквозное растрескивание монолита — возникло растяжение, проходящее вне центра монолита по арматуре.

Сдвиг — трещина пройдет по диагонали к стержням арматуры, происхождение ее связано с нагружением до набора прочности в поперечной плоскости.

Изгиб — трещина пройдет перпендикулярно оси стены, ее начало укажет на границу зоны растяжения.

Выходящие на поверхность трещины могут говорить о том, что арматура на момент заливки была ржавой, и коррозийный слой отошел от металла.

Вертикальная трещина, которая обнаруживается весной, после первого зимнего сезона, говорит о том, что геология и грунты вовсе не изучались и не учитывались, расчеты не проводились. Вероятность разрушения конструкции высокая.

Способы предотвращения растрескивания бетона — это соблюдение технологии заливки, температурного режима в зимнее время и в жару. Устранить трещины в первые полтора-два часа (от изготовления смеси на РБУ!) можно повторной виброукладкой, а после — с применением специльных ремонтных растворов.

Трещины в бетоне — причины появления и меры предосторожности

Назад ко всем статьям

19.04.2017

После заливки фундамента или стяжки начинающие строители считают, что волноваться больше не о чем.

После заливки фундамента или стяжки начинающие строители считают, что волноваться больше не о чем. Однако и на этапе затвердевания, и в будущем в бетоне могут появиться трещины. Для того, чтобы избежать их появления, следует разобраться, какие причины приводят к растрескиванию бетона, и можно ли избежать появления дефектов.

Краткая классификация трещин в бетонных конструкциях

Для того, чтобы объясниться с профессионалами, будет не лишним познакомиться с основными видами трещин в бетоне. По глубине они подразделяются на сквозные и поверхностные, по направлению — вертикальные, наклонные и горизонтальные. Специалисты обращают внимание на глубину (волосяные, мелкие, большие), очертания (замкнутые, криво- и прямолинейные), тип разрушения (срез, разрыв, раздавливание). Изучение портрета трещин в бетоне позволяет сделать вывод о том, насколько опасны эти дефекты, почему появились, и как следует исправить ситуацию.

Усадочные трещины

Во время усадки бетона в нем происходят сложные процессы, и именно в этот момент может произойти растрескивание. Причины растрескивания при усадке сводятся к неправильному составлению цементного раствора. Если вы решили сэкономить на растворе и нарушили пропорции, в момент затвердевания могут произойти расколы, вызванные внутренними напряжениями.
Стоит учесть, что слишком много воды, песка или цемента одинаково опасны. Поэтому очень важно соблюдать пропорции, которые различаются для разного марок цемента. Это позволит избежать появления трещин уже на начальном этапе.

Температурные трещины

Напряжения в бетоне может быть вызвано и перепадами температур. Как можно догадаться из названия, температурные трещины появляются вследствие расширения и сжатия искусственного камня в результате нагрева и охлаждения. Не будем заниматься сложными расчетами, поскольку рядовым владельцам домов достаточно знать единственный факт: при длине ленточного фундамента в 100 метров повышение температуры на один градус вызовет изменение в размерах, равное одному миллиметру. В течение суток разница между максимальной и минимальной температурой может составить 15 градусов, и в этом случае бетон может растрескаться.

Для того, чтобы предотвратить растрескивание, при укладке бетона в обязательном порядке оставляют температурные швы, которые заполняют рубероидом, смесью песка и гравия или другими материалами, способными частично компенсировать расширение и сжатие искусственного камня. Расстояние между швами рассчитывается индивидуально, в зависимости от состава бетона, длины бетонируемого участка и других факторов.

Осадочные трещины

Осадка фундамента связана с серьезными опасностями для только что возведенных построек. Именно она вызывает появление в бетоне самых опасных трещин. Повреждаются и подземные, и надземные конструкции, так что гораздо выгоднее предотвратить появление этого типа дефектов и принять все возможные меры предосторожности.

При неравномерном сжатии грунта обычно появляются наклонные трещины, которые доходят до края стены. Нагрузка может меняться по причине разрыхления грунта в процессе строительных работ, разнице веса сплошных и снабженных оконными проемами стен, вибрации от проходящей поблизости трассы или ж/д магистрали. Серьезной проблемой считается и неравномерное поднятие фундамента на пучинистых грунтах при их промерзании и оттаивании. Именно поэтому не рекомендуется экономить на проведении предварительных исследований уровня грунтовых вод, состава грунтов и других важных факторов.

Неправильное армирование

К появлению трещин в бетоне может привести и нарушение технологии армирования. Эта операция проводится для того, чтобы уменьшить усадочную деформацию. Но если вы неправильно рассчитали арматурный каркас, сетка может не справиться с нагрузками. Опытные строители дополнительно усиливают нижний ряд арматуры за счет увеличения диаметра прутьев.

Врагом бетонных конструкций является коррозия арматуры. Когда металл ржавеет, он расширяется и разрывает бетон. Поэтому лучше использовать для армирования композитные материалы, а также не забывать о защите поверхности от влаги с помощью специальных водоотталкивающих составов.

Усадочные трещины в бетоне СНИП допуск

Виды трещин в бетоне и их заделка

Существуют различные виды разрушений бетонного покрытия. Одним из них являются трещины в бетоне. Они образуются при его быстром твердении из-за сжатия смеси, от излишней механической нагрузки или воздействия негативных факторов. Технология устранения трещин зависит от причины появления, их размера.

Причины появления

Выделим основные причины, почему трескается бетон при высыхании:

• Усадка. Этот вид трещин образуется при неправильном составе компонентов смеси или ненадлежащем уходе за свежим бетонным покрытием после заливки, воздействии прямых солнечных лучей;
• Перепады температуры в течение суток. Разница может быть 15 ° С и выше. Трещины появляются при бетонировании покрытия длинной более 100 м. Чтобы это исключить, в бетоне устраивают температурные швы;
• Осадка. Опасное явление для фундаментов и стен. Возникает при неравномерных нагрузках на конструкции, недостаточно прочном основании. Является причиной внутренних напряжений в бетоне и образованию наклонных растрескиваний, при этом прочность сооружения снижается;
• Пучение грунта. Происходит при замерзании почвы в зимнее время и оттаивание весной. Исключить растрескивание можно при глубине заложения подошвы фундаментов ниже слоя промерзания грунта;
• Неправильное армирование бетонных конструкций. Нарушение расположения арматуры, несоблюдение толщины защитного слоя бетона. Это становится причиной деформации и коррозии металла, образовании дефектов.

Чтобы исключить возникновение трещин на поверхности бетона после заливки, следует выполнять следующие меры:

• Обеспечить наименьшую усадку смеси при отвердении;
• Не допускать быстрого высыхания залитого бетона;
• Исключить перепады температуры во время твердения;
• Исключить механические и химические действующие факторы.

Чтобы оградить свежеуложенный бетон от неприятных воздействий, его укрывают брезентом или пленкой. Это защитит смесь от солнечного нагрева, обеспечит укрытие от дождя и снега. Важно следить за состоянием опалубки, исключить вытекание не отвердевшего раствора. При температуре воздуха выше 5 ° С необходимо поливать бетонную поверхность каждые 8 часов. Применять глубинные вибраторы при укладке толстого бетонного слоя.

Классификация

Рассмотрим классификацию трещин, образующихся в бетоне после заливки:

• поверхностные волосяные трещины в бетоне;
• температурно-усадочные;
• осадочные трещины.

Последние являются самыми опасными, появляются, как результат неравномерной нагрузки на конструкции и могут быть причиной разрушения всего здания.

Наиболее подвержен разрушению бетон конструкций, находящихся на улице. Кроме механических нагрузок их образование обуславливают химические вещества в окружающей среде, негативное воздействие климата.

Допуски

Ширина раскрытия трещин в бетоне — важный фактор для определения технического состояния и несущей способности сооружения. СНиП 52-01-2003 указывает допуски на ширину трещин. Приведем их значения для различных условий:

• Из условия сохранения арматуры в бетоне, их ширина не должна быть более 0,3 мм при продолжительном раскрытии, и 0,4 мм при непродолжительном;
• Исходя из требований к проницаемости бетона. Это значение не может быть больше 0,2 мм при продолжительном раскрытии и 0,3 мм при непродолжительном;
• Для гидротехнических сооружений величина принимается 0,5 мм;
• Трещина не должна быть ширине 0,3 мм, при условии, что конструкция находится в агрессивной среде;
• Не следует допускать трещины шириной 0,3 мм и выше, если бетонная конструкция армирована металлическими элементами с низкой коррозийной стойкостью.

Материалы для заделки трещин

Заделать потрескавшийся бетонный пол можно смесью цемента и песка с добавкой бутадиен-стирольного латекса. Мелкие волосяные растрескивания в бетоне замазывают цементным раствором. Для устранения широких и глубоких образований в конструкциях используют эпоксидные смолы или герметики, применяют саморасширяющуюся ленту и шнур.

Трещины армируют обрезками проволоки. Для конструкций из бетона, которые подвергаются воздействию влаги, подходящим будет жидкое стекло. В этом старинном методе ремонта оно заменяет эпоксидную смолу.

Применяют специальные составы для ремонта. Ремонтная смесь для бетона включает цементно-песчаный раствор, полимерные добавки из спирта и сульфанола. Их можно заменить клеем ПВА. Подойдут готовые ремонтные составы – Репер, Люгато, Минутен Мортель, клей Константа Гранито.

Способы

Это зависит от ее размеров, происхождения и расположения, от назначения конструкции, места образования.

Ремонт пола и стен

Прежде всего, трещину следует подготовить. Щеткой очищают пыль и грязь, промывают водой. Поверхность должна высохнуть перед нанесением раствора. Его наносят шпателем, затем удаляют излишки, выравнивая шов на одном уровне с поверхностью пола. Глубокие трещины заполняют эпоксидной смолой или укладывают в них расширяющийся герметик.

Если в полу образовалась большая дыра, и видна арматура, придется производить более сложные действия. После удаления осколков бетона и пыли нужно обработать металлические элементы антикоррозийным составом. Для увеличения прочности покрытия в отверстие укладывают куски проволоки.

Всю поверхность дыры покрывают грунтовкой. Не дожидаясь высыхания, заливают цементную ремонтную смесь. При необходимости толстого слоя выполняют в 2-3 приема, смачивая каждый слой водой. При уплотнении выполняют вибрирующие движения для заполнения полостей.

Заделанную поверхность выравнивают шпателем или гладилкой, придавая ей ровный гладкий вид. В дальнейшем покрытие можно отшлифовать и покрыть отделочным составом, чтобы скрыть дефект.

Ремонт стен производят инъекционным методом. При этом связующий раствор подается в образовавшуюся полость при помощи шприца. Нагнетаемая под давлением смесь плотно заполняет трещину и образует надежное ее скрепление.

Использование герметика и саморасширяющейся ленты или шнура

Для этого нужно приобрести шнур нужной толщины, монтажный пистолет, герметик. Подготавливаем трещину. Далее укладываем шнур. Заполняем свободное пространство герметиком. Излишки убираем шпателем. Получаем надежное соединение, не пропускающее воду.

Трещины в бетоне и фундамент

Трещины в бетоне, спецификация цемента

Трещины могут ухудшить несущую способность, пригодность к использованию и долговечность бетонных сооружений. В принципе, образования трещин избежать нельзя, однако они не всегда являются опасными. Их ширина должна быть безопасной, необходимо следить за тем, чтобы трещины были своевременно залиты.

1. Причины возникновения трещин

Трещины в свежеприготовленной бетонной смеси возникают в результате быстрого уменьшения объема поверхностного бетонного слоя вследствие обезвоживания. Этому высушиванию способствуют низкая влажность воздуха, ветер, солнечные лучи и неблагоприятная температура окружающей среды.

Трещины в свежем и затвердевшем бетоне образуются тогда, когда растягивающее напряжение, вызванное внутренним напряжением, давлением и внешними нагрузками, достигает имеющийся до этого момента предел прочности бетона.

Основные причины, признаки наличия трещин, а также данные о времени их возникновения представлены в таблице 1. В данной таблице не рассматриваются химические причины образования трещин, такие как щелочная реакция или образование сульфатов. В спецификации даются ссылки на соответствующую литературу, описывающую эти реакции. На практике трещины образуются в результате усадки, прежде всего, в результате преждевременной усадки, или выделения теплоты гидратации.

Усадка

С помощью усадки обозначается уменьшение объема бетона вследствие высыхания. Процесс высыхания начинается на наружной поверхности и распространяется вовнутрь бетона. Наружная поверхность начинает сжиматься, однако еще не высохший внутри бетон препятствует этому. Этот процесс, возникающий в свежем бетоне, и обозначается как преждевременная или пластичная усадка. Последующее высыхание бетона, продолжающееся недели и месяцы, охватывает все поперечное сечение и обозначается как усадка в результате высыхания.

Сужение, которое иногда путают с усадкой, образуется в результате химических связей воды в продуктах гидратации цемента. Процесс происходит внутри цементного камня и не оказывает влияния на внешние размеры бетонной конструкции.

Выделение теплоты гидратации

В массивных строительных элементах по причине больших размеров теплота, образуемая при затвердевании бетона вследствие гидратации цемента, медленно выделяется в воздух или в прилегающие элементы конструкции, таким образом, ядро строительного элемента нагревается значительно сильнее, чем оболочка (внутренне давление «поперечное напряжение»). Внутри поперечного сечения разница температур ведет к образованию сжимающего напряжения, а по краям — к образованию растягивающего напряжения (рис. 1 и 2).

Таблица 2: Виды, формы проявления и признаки различных трещин согласно

Растягивающее напряжение может образовываться также между различными элементами конструкции, если один элемент бетонируется как новая секция, укладываемая на старую. Свежеуложенный бетон выделяет тепло, в то время как бетон первой очереди строительства уже остыл и затвердел. При охлаждении того элемента, который бетонировался позднее, происходит его сужение, которому препятствует сцепление с первым элементом (внешнее давление, «продольное напряжение»).

На рис. 3 схематически представлена зависимость температуры и напряжения вследствие внешнего давления согласно. Временная зависимость кривых разделена на 5 стадий:

Стадия I (от 0 до 2 часов)

Начальная стадия без повышения температуры (период покоя)
Стадия II (от 2 до 6 часов)

Повышение температуры вследствие гидратации, измеримое напряжение отсутствует, так как в еще пластичном бетоне тепловые расширения преобразуются в относительное сжатие. В конце этой стадии температура обозначается как «первая температура при нулевом напряжении» T₀₁.
Стадия III (от 6 до 9 часов)

Дальнейшее нагревание бетона, прочность бетона увеличивается и образуется сжимающее напряжение, частично снижающееся за счет релаксации. Стадия III заканчивается при достижении максимальной температуры T_max.
Стадия IV (от 9 до 11 часов)

Преобладает теплоотдача: температура бетона и сжимающее напряжение в бетоне снижаются, часть сжимающегося напряжения уменьшается за счет релаксации. Достигается «вторая температура при нулевом напряжении» T02, которая по скорости охлаждения и возрасту бетона значительно превышает T01.
Стадия V (от 11 до 15 часов)

Дальнейшее охлаждение и увеличивающееся растягивающее напряжение, которые частично уменьшаются за счет релаксации. Если растягивающее напряжение достигает предела прочности бетона при растяжении (при ATkrit), образуются сквозные трещины.

Если в результате этой нагрузки (температура, усадка) растягивающее напряжение достигает предала прочности, то бетон разрывает. Ранее и позднее образование трещин представлено на рис. 4.

2. Виды трещин и характер их расположения

Обзор различных видов трещин и признаков их возникновения представлены в таблице 2.

Различают приповерхностные трещины (насечки) и сквозные трещины. На рис. 5 и 6 изображены трещины стен, чаще других образующиеся на практике.

Поверхностные трещины образуются, например, из-за слишком большой разницы температуры и влажности между ядром и оболочкой. Они уходят вглубь на несколько сантиметров и через несколько недель снова закрываются. При этом выявляется следующая закономерность: поверхностные трещины чаще всего проявляются в свежем бетоне тогда, когда разница между температурой ядра и оболочки превышает 20 К.

Сквозные трещины могут бразовываться, например, тогда, когда сплошной строительный элемент бетонируется на уже затвердевший фундамент (рис. 6).

В большинстве случаев сквозные трещины проходят вертикально к контактной поверхности поперек всей конструкции.

1. Предотвращение образования трещин

Опасность образования трещин или их уменьшение можно избежать с помощью технологических, строительно-технических и конструктивных мероприятий. При необходимости нагрузка от давления может восприниматься арматурой.

Технологические меры описаны в спецификации по массивному бетону. Они ссылаются на низкое выделение тепла в бетоне, низкую температуру бетона,

Как получить бетон без трещин

Более надёжные результаты по предотвращению появления усадочных трещин достигаются при сочетании повышения эффективности армирования с оптимизацией рецептуры бетонной смеси.

Следует отметить, что оптимизация рецептуры путём использования материалов, компенсирующих усадку (расширяющихся добавок) не всегда приемлема. Ведь, чтобы такая добавка эффективно сработала, необходимо выполнить ряд условий:

• во-первых, в лаборатории путём испытаний предварительно подобрать точную дозировку расширяющейся добавки на используемой бетонной смеси;
• во-вторых, в процессе изготовления бетонной смеси с компенсирующей добавкой жёстко следить за точной дозировкой всех используемых компонентов, включая цемент, песок, щебень, воду и расширяющуюся добавку;
• в-третьих, использовать каждый компонент именно той партии, на которой экспериментально подобрана необходимая дозировка компонентов;
• в-четвёртых, при замене используемых ингредиентов или их количества повторить три вышеуказанных мероприятия;
• в-пятых, требуется синхронизировать усадку бетона и расширение от добавки.  Как правило, на начальном этапе твердения бетона расширение от добавки протекает интенсивнее, чем усаживается бетон, а затем наоборот. Поэтому бетон с компенсирующей добавкой вначале может расширяться, а в поздние сроки твердения идёт его усадка. В результате в бетоне возникают как напряжения усадки, так и напряжения расширения, любое из которых способно привести к образованию трещин в бетоне;
• в-шестых, необходимо полностью равномерно распределить расширяющую добавку по всему объёму бетонной смеси. Тогда как расширяющиеся добавки в большинстве своём представляют собой порошковые продукты, которые не так просто равномерно распределить по всему объёму бетона. А если добавка не распределилась полностью равномерно по всему объёму бетона, то даже при соблюдении всех вышеуказанных условий в бетоне образуются очаги с избытком и недостатком расширяющейся добавки, а соответственно с избыточным очаговым расширением или усадкой.

Дегидрол люкс марки 10-2 работает по-иному

Дегидрол люкс марки 10-2 «Жидкий гидроизолирующий гиперконцетрат» борется с самой причиной усадки, не приводя к дополнительным напряжениям в бетоне. Напротив, продукт принудительно «микроусаживает» бетонную смесь ещё до формования и окончания твердения, изначально предотвращая напряжения усадки и исключая причины образования трещин и иных микродефектов. А кольматирующие свойства ещё более усиливают эффект от применения добавки, делая бетон более монолитным и водонепроницаемым (рост прочности не менее 30%, рост водонепроницаемости не менее 9 марок).

В итоге применение Дегидрола люкс марки 10-2 «Жидкий гидроизолирующий концентрат» в сочетании с минимизацией водоцементного соотношения позволяет не только практически полностью предотвратить усадку бетона (и образование усадочных трещин), но и сразу получить водонепроницаемый бетонный монолит. Более того, Дегидрол люкс марки 10-2 — это жидкая полностью растворимая в воде добавка, которая быстрее и проще распределяется по всему объёму бетонной смеси, обеспечивая надёжное получение однородного водонепроницаемого бетона даже на строительной площадке (где добавка вводится в миксер бетоновоз). Добавка имеет экономную дозировку, которая в большинстве случаев составляет 4 л/м³.

Если трещины возникают из-за избыточного тепловыделения при твердении бетона

В таком случае на помощь придёт Бетоноправ люкс марка 2 «Жидкая добавка для получения коррозионностойких бетонов». Эта добавка, помимо увеличения морозостойкости, вызывает замедление процессов гидратации в первые сутки твердения бетона. В итоге основное тепловыделение в твердеющем бетоне распределяется на 1-2 суток. Соответственно, бетон не подвергается интенсивным деформациям от теплового расширения и последующего сжатия. Добавка имеет экономную дозировку, которая в большинстве случаев составляет 4 л/м³.

Характеристики и характеристики микроструктуры бетона

1. Введение

Хотя технология производства бетона относительно проста, микроструктура получаемого продукта очень сложна. Микроструктура бетона определяется как микроскопическая детализация компонентов бетона от его макроструктуры. Чтобы лучше понять механизмы, которые внутренне контролируют долговечность портландцементного бетона (PCC), необходимо определить и понять те факторы, которые влияют на микроструктуру бетона.Обычно микроструктура является следствием как состава бетона, так и процессов, происходящих во время смешивания, укладки и отверждения. Прошлые исследования уже установили, что ухудшение происходит в бетоне на микро- или субмикроскопическом уровне, то есть в его микроструктуре [1, 2].

Несколько текущих исследований разрушения бетона показали, что часто основной причиной изменчивости свойств и характеристик затвердевшего бетона было недостаточное диспергирование цементного теста в свежем бетоне [3].Таким образом, вредные примеси, которые проникают или диффундируют по затвердевшему бетону, могут инициировать его разрушение из-за изменения способности бетона ограничивать их транспортировку. Более того, частицы цемента имеют тенденцию к неравномерной коагуляции и скоплению в смеси, что приводит к образованию неровных участков плотной и высокопористой затвердевшей пасты из-за плохой дисперсности и неоднородности во время смешивания и укладки. Это справедливо даже для микроструктур высокой плотности, возникающих при использовании низких соотношений вода / цемент (в / ц).На развитие плотной однородной микроструктуры также влияет характер упаковки частиц цемента и заполнителя. Таким образом, микроструктура, возникающая в процессе смешивания, схватывания и твердения, напрямую влияет на конечные свойства и характеристики бетона. Развитие микроструктуры также контролируется сочетанием равномерного диспергирования частиц цемента, минеральных добавок и заполнителей с гидратацией цемента. Более того, изменения, происходящие на микро- или субмикроскопическом уровне в бетонной матрице, влияют на такие аспекты, как раннее или замедленное схватывание, усадка при высыхании, проницаемость, повреждение от замерзания, чрезмерное просачивание и / или недостаточная прочность.Понимание конкретного поведения на этих небольших уровнях является начальным и наиболее важным шагом к достижению средств контроля его микроструктуры и влияния на производительность [3].

Кроме того, исследование микроструктуры бетона в переданной или отраженной энергии является ценным инструментом в изучении микроструктуры бетона. Эти методы можно использовать при осмотре различных образцов бетона для определения потенциальных дефектов или характеристик материала. Например, соотношение вода / цемент может быть определено путем сравнения пористости пасты с рядом тщательно подготовленных контрольных образцов.В этой главе были изучены физическая граница раздела между заполнителем и цементным тестом и трещина заполнителя. Сканирующий электронный микроскоп (SEM), способный получать изображения уровня в микромасштабе, был использован для количественной оценки растрескивания ITZ для нормального и самоуплотняющегося бетона. Система рентгеновской компьютерной томографии (КТ) использовалась для визуализации распределения крупного заполнителя в бетонных образцах и характера их разрушения. СЭМ — это устройство, которое создает сильно увеличенные двухмерные изображения структур для анализа взаимодействия их различных компонентов и потенциальных дефектов с использованием ускоренных электронов.В методе рентгеновской компьютерной томографии используются пучки высокой энергии, которые проникают в образцы разной толщины, а затем суммируются полученные изображения для восстановления трехмерной модели отсканированного образца для структурного анализа.

2. Методология исследования

Первая часть этого раздела посвящена разработке микроструктуры и ее контролю за характеристиками, уделяя особое внимание нормальному (NC) и самокрепящемуся бетону (SCC). Во второй части подробно описываются повреждения, нанесенные стальными снарядами разного размера, поражающими большие образцы бетона с разной скоростью.

2.1 Характеристика микроструктуры бетона и сравнение характеристик

Это исследование преследовало четыре цели: (1) изучить связь между крупными заполнителями и цементным тестом; (2) Оценить новые методы испытаний SCC — спад потока и U-образная трубка; (3) сравнить прочность на растяжение и сжатие при расщеплении NC и SCC; и (4) визуализировать распределение крупного заполнителя в образцах бетона NC и SCC. СЭМ-изображения использовались для исследования связи между цементным тестом и крупным заполнителем двух типов бетона путем изучения их межфазной переходной зоны (ITZ).ITZ, который в основном состоит из гидроксида кальция, представляет собой узкую и нечеткую область цементного теста, окружающую частицы заполнителя. Поскольку ITZ является очень пористой областью из-за высокого содержания воды, она имеет тенденцию увеличиваться с увеличением размера заполнителя. Более того, из-за более слабой структуры по сравнению с массой массы в бетоне эта переходная зона напрямую влияет на свойства бетона, особенно на его прочность и жесткость. Распределение агрегатов по образцам и структура разрушения образцов NC и SCC, испытанных на прочность на сжатие, были визуализированы с использованием системы визуализации рентгеновской томографии.Стандартный метод испытаний на прочность на сжатие отображает типичные картины разрушения, указывающие на прочность смеси или существующие проблемы с испытательным оборудованием.

Дополнительную информацию о материалах и добавках, использованных для приготовления образцов, можно найти в Druta et al. [4]. В таблице 1 представлены пропорции смеси для отливки образцов SCC. Портландцемент типа I был заменен на доменный шлак (25%), летучую золу (15%) и микрокремнезем (5%). Подобные пропорции смеси и равные партии были подготовлены для литья цилиндрических образцов NC и проведения испытаний на осадку без включения каких-либо минеральных добавок.

Таблица 1.

Расчет самоуплотняющейся бетонной смеси.

Испытания на растяжение и сжатие при раскалывании были выполнены для обоих типов бетона, в то время как испытания U-образной формы и оседания проводились для оценки заполняющей способности и самоуплотняемости SCC, соответственно [5, 6].Испытание на оседающую текучесть, используемое в настоящее время для свежего SCC, является хорошим индикатором консистенции бетона и его способности к самоуплотнению [6, 7]. Для SCC вместо измерения падения высоты свежего бетона определяется среднее значение двух перпендикулярных диаметров (R1 и R2) уложенного бетона. Хорошее самоуплотнение достигается при ширине от 600 мм и более, до 800 мм в течение 60 с [4]. На Фигуре 1 показано устройство для наполнения, которое включает трубку высотой примерно 700 мм с круглым дном, разделенную на две равные секции средней стенкой, включающей скользящую заслонку.Как только левая секция заполнена бетоном, раздвижные ворота поднимаются, позволяя свежему бетону свободно течь в правой секции через решетку специальной конструкции, снабженную близко расположенными арматурными стержнями. Измеряются уровни бетона в обеих секциях, после чего производится расчет разницы высот. Адекватное заполнение и уплотнение SCC достигается, если регистрируется разница в 30 мм или меньше между h2 и h3.

Рисунок 1.

Схема U-образной коробки для тестирования SCC.

2.2 Оценка связи между крупным заполнителем и цементным тестом

SCC был тщательно исследован в последние десятилетия, чтобы найти способы улучшить его характеристики [8, 9]. Основным направлением этих усилий было улучшение свойств интерфейса между пастой и заполнителями. Это улучшение привело к производству и использованию бетонов с повышенной прочностью и долговечностью [10, 11]. Физическая граница раздела между заполнителем и цементным тестом, а также структура трещин заполнителя были исследованы на втором этапе этого исследования.Во-первых, характеристики растрескивания ITZ для двух типов бетона были количественно определены с помощью SEM, способного получать изображения уровня в микромасштабе. Во-вторых, визуализация распределения крупных агрегатов в образцах и картины их разрушения была выполнена с использованием системы рентгеновской компьютерной томографии (КТ) [2]. Кроме того, на шести прямоугольных образцах размером 70 × 70 × 12 мм было проведено сравнение количества воздушных пустот в НК и ПКК. Образцы были вырезаны из бетонных цилиндров при 0.3, 0,45 и 0,6 водоцементного отношения и проанализированы с помощью цифрового стереомикроскопа.

Для определения характеристик границ раздела между заполнителями и пастой как для SCC, так и для NC, небольшие образцы диаметром 25,5 мм и толщиной 4 мм были получены из непроверенных цилиндров обоих типов бетонов при трех различных водоцементных отношениях 0,3, 0,4. , и 0,6 через 60 дней отверждения. СЭМ использовался для получения изображений каждого образца с соотношением в / ц в разных местах ITZ. Меньшая ширина трещин в пределах их физической границы раздела наблюдалась на микрофотографиях, полученных с помощью SEM для образцов SCC, по сравнению с образцами NC, как показано на рисунке 2.Это открытие показало, что лучшее сцепление агрегат-паста было достигнуто в переходной зоне для SCC по сравнению с NC.

Рис. 2.

Микрофотографии (а) нормального бетона и (б) самоуплотняющегося бетона физических поверхностей раздела (w / c = 0,40).

Использование микрокремнезема привело к более низкой пористости и меньшему росту гидроксида кальция в ITZ, что привело к увеличению прочности SCC на растяжение и сжатие по сравнению с NC. Как правило, микрокремнезем оказывает «эффект наполнителя» в структуре бетона, который снижает внутреннее просачивание в свежий бетон, одновременно повышая прочность связи между заполнителем и пастой [12].Он также делает его структуру более однородной за счет уменьшения крупных пор в ITZ. Испытания на прочность на разрыв показали большее количество частиц разбитого заполнителя в SCC, чем в NC, когда были проверены изломанные поверхности бетонных образцов. Кроме того, прочность ITZ была также увеличена за счет добавления микрокремнезема, так как часть совокупного разрушения произошла на физической границе раздела, а не в переходной зоне.

Таблица 2 показывает ширину трещин образцов по изображениям, полученным при каждом соотношении вода / цемент.Анализ изображений SEM показал, что тенденция к усадке трещин существует при более низких соотношениях Вт / см. Однако не было обнаружено определенной взаимосвязи между шириной межфазной трещины и водоцементным соотношением для любого типа бетона. Установление количественной зависимости между шириной трещины и прочностью, если таковая имеется, требует дальнейшего изучения.

Таблица 2.

Сопрягает ширину трещин для нормальных и самоуплотняющихся бетонов.

2.3 Анализ структуры разрушения

Рентгеновская компьютерная томография (КТ) была использована для изучения внутренней структуры и структуры разрушения бетонных образцов, испытанных на сжатие [4].С помощью техники рентгенологического контроля КТ объекты реконструируются по изображениям их поперечного сечения. На протяжении многих лет широко используются методы неразрушающего контроля микроструктуры бетона [13], почвы [14, 15], горных пород [16] и асфальтобетона [17, 18] с использованием компьютерной томографии. Образцы, испытанные на сжатие, показали такие же структуры излома, то есть конус на одном конце и вертикальные колонны, как образцы типов 2 и 3, описанные в методе испытаний ASTM C 39. На рис. 3 показаны томографические изображения 3D реконструированных образцов SCC и NC, полученные сверху, посередине и снизу.Изображения показывают конкретные структурные повреждения и структуры изломов, а также совокупные трещины на всех испытанных образцах. Образцы SCC не показали никакой сегрегации.

Рис. 3.

Томографические изображения образцов SCC (верхний ряд) и NC (нижний ряд) после испытания на сжатие (слева направо: верх, середина и низ образца).

Несколько изображений разрезов цилиндрических образцов размером 100 × 200 мм, разделенных на растяжение, были визуально исследованы для выявления трещиноватого агрегата.Анализ показал, что процент трещиноватого заполнителя для SCC составлял около 15–25% (9–15 из 60), в то время как для NC составлял около 10% (4–6 из 60) после определения того, что каждая грань сечения содержала около 60 крупных частиц. агрегатные частицы. Количество разбитых частиц заполнителя из трех испытанных образцов было усреднено для расчета процента разрушения. Большее количество трещиноватого заполнителя в образцах SCC было еще одним показателем лучшей связи между заполнителем и цементным тестом.

2.4 Оценка содержания пустот в воздухе

Вовлечение воздуха было уменьшено в смеси SCC за счет добавления мелкодисперсных минеральных примесей, таких как летучая зола и микрокремнезем. Образцы размером 80 × 80 × 12 мм были взяты из обоих типов бетонов при соотношении в / см 0,30, 0,45 и 0,60 для изучения их воздухововлекающих свойств. Для анализа учитывались только воздушные пустоты размером более 200 микрон. Измерения показали, что образцы SCC имеют вдвое меньше воздушных пустот по сравнению с NC.Визуальный анализ размеров и форм «воздушных пустот» показал, что SCC имел меньшие и более круглые пустоты, чем NC, которые представляли немного большие и неправильные формы пустот (на 15–20%) (рис. 4).

Рис. 4.

Распределение воздушных пустот (белые пятна) в: (a) NC и (b) SCC.

Более того, в то время как воздушные пустоты в SCC выглядели более сгруппированными в определенных областях вырезанного образца, пустоты в NC были относительно хорошо рассредоточены в образцах. Эти данные показывают, что более низкое содержание воздушных пустот также способствовало увеличению прочности SCC, поскольку трещины легче возникают в цементном тесте с более высокими воздушными пустотами.Некоторые из этих воздушных пустот представляют собой «дефекты» в цементном тесте на границе заполнитель-паста, возможно, образующие микротрещины или «трещины сцепления» в ITZ, которые в конечном итоге приводят к разрушению бетона из-за распространения микротрещин под действием локализованных растягивающих напряжений.

2.5 Выводы

Это исследование подтвердило, что SCC обеспечивает самоуплотнение и адекватную текучесть под собственным весом, без внешней вибрации или уплотнения в зависимости от параметров пропорции смеси и используемых материалов.Исследование также показало, что прочность на растяжение и сжатие при расщеплении в SCC выше, чем у нормального вибробетона, из-за добавления химических и минеральных добавок. Прочность на сжатие увеличилась в среднем более чем на 60%, тогда как прочность на разрыв при раскалывании увеличилась на 30%. Соотношение между прочностью на раскалывание и сжатие было аналогично значениям, найденным в литературе. Кроме того, лучшее сцепление между заполнителем и цементным тестом было достигнуто в SCC за счет использования химических и минеральных добавок, поскольку материал показал меньшие микротрещины на границе раздела заполнитель-матрица, чем обычный бетон.Эта характеристика влияет как на прочность на разрыв, так и на прочность на сжатие. Другим показателем более прочного сцепления заполнителя с пастой был больший процент разрушенного заполнителя в SCC (20-25%) по сравнению с 10% для обычного бетона. Более того, по сравнению с NC количество воздушных пустот в SCC было меньше, и они казались относительно меньшими и более округлыми. Эти факторы также способствовали увеличению силы SCC.

3. Повреждение микроструктуры бетона при ударе снаряда

Проникновение снарядов в бетонную цель исследовалось в данном исследовании с использованием как экспериментальных, так и имитационных методов.Общие цели проекта включали: (а) создание экспериментальной установки для проведения испытаний на проникновение; b) разработка рациональной конститутивной модели для учета эффектов распределенного ущерба; (c) Улучшение реализации модели путем комбинирования метода конечных элементов (FEM) и метода дискретных элементов (DEM), чтобы можно было моделировать поведение после разрушения; и (d) разработка методов обратного расчета констант модели на основе сравнения экспериментальных результатов с результатами моделирования.

Оборудование, собранное для испытания образцов бетона различных размеров и прочности, показано на рисунке 5. Оно содержит газовый баллон, который можно заполнять при различных давлениях, пусковую трубу, расширительный резервуар для газа и камеру для размещения образца.

Рисунок 5.

Газовая установка для испытания образцов бетона.

Трехмерная модель проникновения была построена с использованием ABAQUS, как показано на рисунке 6. Бетонная цель была предварительно смоделирована как блоки размером 40 × 40 × 100 см и пробивалась высокоскоростными снарядами, сделанными из жестких материалов.При пробитии цели деформация снаряда не предполагается. Предполагается, что бетон представляет собой эластопластический материал со свойствами повреждения. Для сетки МКЭ используются 8-узловые линейные кирпичные элементы. Неограниченная граничная область определяется с помощью 8-узловых линейных бесконечных элементов, которые соединены с конкретным образцом на периферии (рис. 6).

Рисунок 6.

FEM моделирование конкретной цели, пораженной снарядом.

Микроструктура образца бетона учитывается путем присвоения различных свойств материала трем компонентам смеси: заполнителю, строительному раствору (продукты гидратации плюс мелкие частицы заполнителя) и воздушной полости.Эти компоненты выделяются с помощью методов анализа изображений, показанных на рис. 7 (a) и (b). Значение интенсивности пикселей определяет, какому компоненту принадлежит каждый пиксель. При создании сетки для моделируемой области свойства материала между двумя отсканированными изображениями предполагаются такими же, как и переднее изображение.

Рис. 7.

Трехмерная микроструктура бетонного образца (а) и реконструкция на основе изображений (б).

3.1 Повреждение бетона

Снижение упругой жесткости бетона является результатом повреждений, обычно связанных с механизмами разрушения бетона (растрескивание и раздавливание).Согласно теории скалярных повреждений, деградация изотропной жесткости характеризуется одной переменной деградации, d . Основываясь на понятиях механики разрушения сплошной среды, эффективное напряжение определяется как (1).

σ¯ = D0el: ε − εplE1

Напряжение Коши связано с эффективным напряжением через соотношение скалярной деградации согласно уравнению. (2).

σ = 1 − dσ¯E2

Отношения между напряжением и деформацией определяются скалярной поврежденной упругостью, приведенной в уравнении. (3), где D ₀ el — упругая жесткость неповрежденного материала; D el = (1 — d ) D ₀ el — упругая жесткость из-за повреждения; и d — скалярная переменная жесткости из-за деградации.Нулевое значение d указывает на неповрежденный материал, а единичное значение — на полностью поврежденный.

σ = 1 − dD0el: ε − εplE3

Основное поведение бетона было проиллюстрировано с помощью модели поврежденной пластичности бетона. Модель описывает неупругое поведение бетона на основе концепции изотропной поврежденной упругости в сочетании с изотропной пластичностью при растяжении и сжатии. Более того, скалярная поврежденная эластичность в сочетании с несвязанной мультиупрочняющей пластичностью описывают необратимое повреждение, которое происходит в процессе разрушения.Ниже кратко излагаются основные составляющие модели.

3.2 Разложение скорости деформации

Аддитивное разложение скорости деформации предполагается для независимой от скорости модели согласно уравнению. (4).

έ = έelelastic + έplelasticE4

Для любого заданного поперечного сечения материала отношение эффективной несущей площади (т. Е. Общей площади за вычетом площади повреждения) к общей площади сечения представлено выражением (1 — d ) коэффициент. Таким образом, эффективное напряжение эквивалентно напряжению Коши σ, если нет повреждений, d = 0.Однако при повреждении эффективное напряжение больше, чем напряжение Коши, поскольку внешние нагрузки поддерживаются эффективной площадью напряжения. Следовательно, проблему пластичности можно удобно сформулировать, используя эффективную составляющую напряжения. Развитие переменной деградации определяется набором переменных упрочнения, ε∼ pl (пластическая деформация), и эффективным напряжением, d = d (σ¯, ε∼ pl ).

3.3 Переменные упрочнения

Две переменные упрочнения, ε∼ _t pl и ε∼ _c pl , определяемые как эквивалентные пластические деформации при растяжении и сжатии соответственно, могут использоваться для независимой характеристики поврежденного материала. состояния при растяжении и сжатии.Как правило, увеличение значений параметров твердения может привести к микротрещинам и раздавливанию в бетоне. Эти переменные также контролируют деградацию упругой жесткости и прогрессирование поверхности текучести, а также влияют на рассеиваемую энергию разрушения, необходимую для образования микротрещин.

Кроме того, функция текучести F (σ¯, ε∼ pl ), которая представляет поверхность в пространстве эффективных напряжений, будет определять состояния отказа или повреждения. Для модели невязкого пластического повреждения это представлено уравнением.(5).

Fσ¯ε∼pl <0E5

4. Моделирование ЦМР

Испытание на проникновение также моделируется с использованием метода дискретных элементов (ЦМР). DEM была впервые введена Кундаллом [19] в начале 1970-х годов. Первоначально он применялся на горных породах, затем был распространен на гранулированный материал, что вызвало гораздо более широкое использование в различных видах материалов, таких как жидкость, почва и композиты. До 1990 г. DEM не привлекала особого внимания в моделировании проникновения. До 1990 г. обзор Heuze [20, 21] указывал, что только 3 компьютерные программы основывали свою теорию на DEM.Однако ЦМР имеет свои существенные преимущества, особенно связанные с моделированием проникновения, по сравнению с другими методами численного моделирования, такими как метод конечных элементов на основе континуальной сетки. ЦМР позволяет легко моделировать переход от континуума к дискретному, при этом удобно обрабатывать трещины и большие деформации.

Геометрия снаряда — один из ключевых факторов, влияющих на процесс проникновения. В ряде исследований рассматривались эффекты формы, в том числе на плоском носу [22, 23, 24], оживившем [25] и сферическом шаре [26].Чжу и Чжан [27] сравнили влияние на проникновение снарядов оживляющей формы и формы с плоским носом. В то время как большинство исследователей считают снаряды жесткими, другие исследовали эффекты деформируемого снаряда. Что касается скорости удара, Нисида [26] исследовал проникновение при низкой скорости 16 м / с, в то время как большинство других сосредоточили внимание на скоростях более 100 м / с.

DEM также используется в теоретической формулировке PFC3D (программное обеспечение для моделирования частиц), известной как модель потока частиц.Частицы произвольной формы, которые перемещаются независимо друг от друга и занимают конечное пространство, составляют основной элемент модели. Модель использует конечную нормальную жесткость для представления контактной жесткости, в то время как взаимодействие между частицами, которые считаются жесткими, определяется с использованием подхода мягкого контакта. Закон силы-смещения и закон движения — два основных правила для определения механических вычислений. Первый закон используется для расчета контактной силы и количества движения между двумя объектами на основе их относительного смещения.Следует отметить, что импульсная часть могла быть смоделирована только в модели параллельной связи для контактов. Второй закон, также называемый вторым законом Ньютона, определяет, как сила и импульс определяют поступательное и вращательное движение частицы.

4.1 Модель снаряда

Для создания необходимой конической формы моноразмерные шары уменьшаются в размере от хвоста к наконечнику. Для сохранения компактности внутри снаряда преднамеренно заданы перекрытие шаров и большая жесткость.Шары, образующие снаряд, были сгруппированы в один объект с помощью функции PFC3Dclump. Созданный объект не допускает относительных перемещений шаров, составляющих снаряд. Трение между снарядом и целью зависит от их относительной скорости и определяется уравнением. (6), где статическое трение определялось с использованием идеализированной бесконечной скорости Чен [28].

f = finf + fstat − finfeγ ∗ velE6

, где f _inf — трение с идеализированной бесконечной скоростью, а f _stat — статическое трение.

На рисунке 8 показана модель снаряда, используемая для моделирования зависимости скорости проникновения от глубины, установленной Forrestal et al. и соответствующие им параметры микроскопического масштаба. Модель снаряда, созданного в PFC3D, показана на рисунке 9. В большинстве экспериментов используется цилиндрическая форма снаряда, которая позволяет удобно отслеживать симметричные повреждения. Однако при моделировании используются кубические образцы из-за их простой геометрии. Используя большие размеры, можно минимизировать угловые или граничные эффекты.Хотя полубесконечная цель может использоваться в классической теории проникновения, при моделировании ЦМР принимаются только цели конечного размера, при этом необходимо определить ее конкретный размер, чтобы устранить размерный эффект.

Рис. 8.

Геометрия снаряда, использованного в испытании (Forrestal et al., 1994).

Рисунок 9.

Модель снаряда, созданная в матрице высот.

Как для снаряда, так и для цели существует несколько основных параметров, существенно влияющих на весь процесс проникновения.Основными переменными для снаряда являются масса (м), диаметр (диаметр), форма носа и скорость удара (vel). Первые три задаются в файле геометрических и механических свойств снаряда, а последняя переменная вводится в основной код для моделирования проникновения. Ключевые переменные для целевого показателя — это макро-модуль Юнга (E), коэффициент Пуассона (ν), прочность на сжатие (σ _c ) и предел прочности при растяжении (σ _t ). Вместе они представляют механические характеристики материала.

PFC3D обеспечивает оптимизированную последовательность калибровки для некоторых основных управляющих переменных, чтобы минимизировать количество итераций для параллельного соединения.

1. Согласование модуля Юнга материала путем изменения E _c и Ē _c .

2. Согласование коэффициента Пуассона путем изменения k _n / k _s и k¯ _n / k¯ _s .

3. Варьируя среднюю нормальную прочность и прочность на сдвиг, σ¯ _c и τ¯ _c , а также их стандартное отклонение, чтобы получить пределы прочности как на сжатие, так и на растяжение.

4. Свойства, такие как поведение после пика или напряжение инициирования трещины, также могут быть получены путем корректировки связанных переменных, таких как коэффициент трения, в соответствии с данными реальных образцов; однако для краткости они не представлены в этой статье.

4.2 Калибровка нормальной прочности и прочности на сдвиг для параллельной связи

Нормальная прочность и прочность на сдвиг (σ¯ _c и τ¯ _c ) для параллельной связи — два основных микропараметра, влияющих на прочность материала на сжатие.Были выполнены три типичных калибровочных испытания: изменение нормальной прочности, изменение прочности на сдвиг и изменение обоих с постоянным относительным соотношением. Взаимосвязь между прочностью на сжатие и микропрочностью показана на рисунке 10.

Рисунок 10.

Взаимосвязь между прочностью на макропрочное сжатие и микропрочностью.

Как показано на Рисунке 10, прочность на сжатие на макроуровне зависит как от нормальной прочности, так и от прочности на сдвиг контактных шаров, в то время как нормальная прочность дает немного больше.Важной особенностью для этого случая является то, что меньший из этих двух микропараметров контролирует верхний предел макропрочности, то есть прочность на сжатие не может увеличиваться, когда одна из микропрочностей остается на постоянном уровне.

Для модуля Юнга и коэффициента Пуассона ни норма, ни сопротивление сдвигу частиц не имеют большого значения в нормальном диапазоне. Однако, когда обе эти микропрочности уменьшаются до очень малых значений, модуль Юнга и коэффициент Пуассона имеют немного большее влияние.

Эмпирические открытия, полученные в ходе вышеуказанного калибровочного испытания, можно использовать для формирования бетонной мишени с требуемыми механическими свойствами, хотя калибровку по-прежнему необходимо проводить шаг за шагом. Это связано с тем, что различные изменения микропеременных могут привести к схожему макросвойству, а значения изменения, вероятно, сильно различаются, поскольку изменяются другие параметры.

5. Результаты экспериментов

Для испытаний на проникновение были изготовлены два типа бетонных мишеней, то есть усеченная пирамида или конус (рис. 11).Форма пирамиды и конуса была предназначена для экономии материалов в задней части образцов. Пробитию снаряда подверглась сторона большей площади. Усеченная пирамида имела размеры 12 дюймов на 12 дюймов на стороне большего конца и 13 дюймов в глубину, в то время как цилиндры имели диаметр 6 дюймов и 11 дюймов и высоту 11 дюймов. Оба типа бетонных мишеней были отлиты с прочностью на одноосное сжатие 5000 фунтов на квадратный дюйм и 8000 фунтов на квадратный дюйм. Для проверки работоспособности газовой установки первые два выстрела были произведены по двум бетонным цилиндрам на 2500 фунтов на квадратный дюйм (6 дюймов на 12 дюймов).Заполнитель известняка (№ 67) был использован для образцов 5000 фунтов на квадратный дюйм, а (№ 78) был использован для образцов 8000 фунтов на квадратный дюйм.

Рисунок 11.

Типы конкретных целей, используемых для тестирования на проникновение.

Снаряды трех разных диаметров (12, 20 и 30 мм) использовались для проникновения в бетонные цели и запускались с одинаковым давлением (1200 фунтов на квадратный дюйм) для оценки их скорости, глубины проникновения и повреждения цели.

На рисунке 12 показан пример снаряда после удара по бетонным целям, поврежденные бетонные цели и расположение снарядов после удара.Некоторые образцы мишени были разрушены снарядом, пробития снаряда не наблюдалась. В первую очередь это было связано с размером бетонного образца по сравнению с размером снаряда. Однако по мере уменьшения размера снаряда (или увеличения размера конкретного образца) вероятность проникновения снаряда сквозь конкретную цель возрастает.

Рис. 12.

Цилиндр 8000 фунтов на квадратный дюйм, пораженный снарядом диаметром 30 мм и массой 218 г при v = 360 м / с.

5.1 Сравнение результатов моделирования методом конечных элементов с результатами лабораторных испытаний без учета микроструктуры мишени

Стоит отметить, что и масса, и диаметр снарядов влияют на глубину проникновения. Однако основным фактором для определения глубины проникновения является скорость снаряда. Например, в испытаниях 7 и 8 два снаряда имеют схожие массы и диаметры, но снаряд с более высокой скоростью (405 м / с) имеет глубину проникновения 51 мм, что почти вдвое превышает глубину снаряда с меньшей скоростью ( 360.5 м / с). Этот факт также подтверждается результатами моделирования, относящимися к тем же испытаниям, в которых снаряд с большей скоростью имеет глубину проникновения 106 мм, а снаряд с меньшей скоростью имеет глубину проникновения 51 мм. Основная причина несоответствия между результатами моделирования и результатами испытаний заключается в том, что свойства материала, включая микроструктуру, не менялись для разных материалов (таблица 3).

Таблица 3.

Сравнение глубины проникновения между данными испытаний и моделирования (Zhou et al., 2009).

5.2 Сравнение результатов моделирования с результатами лабораторных испытаний с микроструктурой, включенной в конкретную мишень

Как упоминалось ранее, бетонные цилиндры размером 6 ″ × 12 ″ были сканированы с помощью рентгеновской компьютерной томографии и были получены изображения поперечного сечения, показывающие их внутреннюю структуру. каждый экземпляр. Программа анализа изображений была разработана для восстановления внутренней структуры целевого образца с помощью рентгеновских срезов КТ.Таким образом, различные составляющие бетона идентифицируются соответственно на основе уровней серого на изображении поперечного сечения. В дополнение к реконструкции внутренней структуры, программа также отображает каждый пиксель изображения на сетку цифровой модели, как показано на рисунке 13. Для каждого из двух бетонных образцов размером 6 ″ × 12 ″, 100 срезов (поперечные — изображения срезов) были сложены вместе и обработаны для создания соответствующего цифрового образца. Элементы, относящиеся к различным компонентам смеси (т.е., заполнители и цементная паста) при моделировании были присвоены различные свойства материала. Заполнители обрабатывались как эластичный материал с высокой упругой жесткостью, тогда как цементная паста считалась эластопластическим материалом с низкой упругой жесткостью и коэффициентом повреждения при сдвиге для контроля повреждения материала.

Рисунок 13.

Реконструкция внутренней структуры бетонного образца.

5.3 Влияние массы снаряда на моделируемое проникновение

Влияние массы снаряда на проникновение оценивалось путем рассмотрения трех различных масс в моделировании — 0.2, 0,4 и 0,6 кг соответственно. Остальные свойства снаряда остались прежними. Данные моделирования представлены на рисунке 14. Из рисунка можно заметить, что глубина проникновения снаряда увеличивается с увеличением его массы (а), тогда как скорость проникновения уменьшается с меньшей скоростью для снарядов большей массы (б).

Рисунок 14.

Глубина проникновения и снижение скорости снарядов разной массы. (а) глубина проникновения снаряда увеличивается с увеличением его массы, тогда как (б) скорость проникновения уменьшается с меньшей скоростью для снарядов большей массы.

5.4 Визуализация моделирования ЦМР

После создания моделей цели и снаряда удобно назначать снаряду разные скорости поражения и выполнять имитацию пробития. С помощью кодирования PFC3D можно смоделировать весь процесс проникновения на выбранных временных шагах (рис. 15).

Рис. 15.

Визуализация процесса проникновения с помощью DEM (Zhou et al., 2009).

На рисунке выше процесс перфорации бетонной плиты на выбранных временных шагах был инициирован с поразительной скоростью 500 м / с.Разные шаги соответствуют разному времени, которое можно получить из записи истории моделирования. Как показано, можно визуализировать широко распространенное растрескивание, прогрессирующий грубый отказ и фрагментацию во время проникновения.

6. Выводы

Проникновение снаряда в бетонную цель исследовалось в данном исследовании с использованием как экспериментальных методов, так и численного моделирования. Успешно создана лабораторная испытательная система, способная запускать стальной снаряд в цементобетонные мишени.Пакет снарядов, приводимый в движение пороховым газом, позволяет стальному снаряду проникать в цементно-бетонные цели с разной скоростью. Метод конечных элементов (МКЭ) был использован для моделирования процесса проникновения снаряда в бетонную цель. Снаряд считается жестким материалом, не деформирующимся в процессе проникновения. Цементные бетонные цели можно смоделировать с использованием модели поврежденной пластичности бетона. Моделирование методом конечных элементов оценивает несколько основных эффектов, включая диаметр, массу и начальную скорость снаряда.Кроме того, численное моделирование с использованием метода дискретных элементов (DEM) было использовано для моделирования процесса проникновения снаряда в цементобетонную мишень. Метод калибровки был разработан для получения микроскопических параметров из макроскопических параметров бетона. Процесс проникновения можно смоделировать с использованием временной истории глубины, начальной скорости и замедления снаряда, а затем сравнить результаты с результатами эмпирических прогнозов ранее проведенного моделирования.

Влияние микротрещин на прочность и долговечность бетонов с низким водоцементным соотношением

Абстрактные

Бетон склонен к растрескиванию, поэтому были проведены многочисленные исследования для определения критической ширины трещины, особенно когда есть основания полагать, что его эксплуатационная пригодность является обоснованной.Поскольку большинство этих исследований проводилось на отдельных трещинах, влияние плотности трещин в значительной степени игнорировалось. Однако наличие большого количества микротрещин может вызвать повреждение, даже если отдельные трещины меньше критических значений ширины трещин для прочности (3 мм) и коррозии (250 мкм). Таким образом, появление необъяснимых микротрещин в нескольких действующих фермах из предварительно напряженного бетона с низким водоцементным соотношением привело к опасениям по поводу сокращения срока службы, возникающего из-за долгосрочных проблем с прочностью и долговечностью из-за наличия этих микротрещин.Это исследование было направлено на определение влияния плотности микротрещин на ключевые свойства бетона и оценку вероятности долгосрочных проблем с прочностью и долговечностью, которые могут возникнуть из-за наличия этих микротрещин. Были проведены неразрушающие испытания и измерения растрескивания, деформации, жесткости и удельного сопротивления натурных балок, некоторые из которых находились в эксплуатации, в течение двухлетнего периода мониторинга. От некоторых балок были собраны керны для дальнейшего лабораторного исследования свойств трещин, прочности, жесткости и долговечности.В то время как балки показали увеличение трещин и усадки, их механические свойства и долговечность в их нынешнем состоянии не показали значительных потерь. Модель срока службы, которая может учитывать условия воздействия и плотность трещин, а также свойства материала, такие как водоцементное соотношение и скорость импульса, была разработана и сравнена с коммерчески доступным программным обеспечением для прогнозирования срока службы Life-365®. Было рассчитано сокращение срока службы балок до 13 лет. Результаты показывают, что важно учитывать не только ширину трещины, но и плотность трещин.Даже трещины шириной менее 100 мкм могут снизить долговечность бетона, если плотность трещин превышает критическое значение.

Влияние межфазной переходной зоны и микротрещин на массообменные свойства бетона | Исследовательские группы

H.S. Вонг, Р.В. Циммерман, Н. Buenfeld

Скорость всех основных процессов разрушения бетона регулируется проникновением воды и агрессивных веществ через неизбежно пористую микроструктуру.Этот проект направлен на углубление понимания того, как микроструктура бетона контролирует проникновение агрессивных агентов, и на создание моделей для прогнозирования транспортных свойств на основе микроструктуры. Это позволит более надежно оценить степень износа и оставшийся срок службы и облегчить разработку более прочных конструкций.

Граница раздела между заполнителями и цементным тестом, «межфазная переходная зона» (ITZ), имеет особое значение, поскольку она имеет более высокую пористость и более низкое содержание цемента по сравнению с другими регионами (Рисунок 1).Микротрещины часто возникают и распространяются преимущественно в ITZ. Обычно считается, что проникновение вредных агентов происходит в основном через ITZ, и эта идея лежит в основе многих транспортных моделей для бетона.

Однако проведенный нами обзор ITZ выявил несоответствия в предыдущих исследованиях. Впоследствии мы провели обширное экспериментальное исследование, чтобы определить относительную важность ITZ и микротрещин для трех различных механизмов переноса [1]. Испытано более 200 образцов паст, растворов и бетонов.Переменные включают соотношение воды и металла, тип цемента, содержание заполнителя, возраст выдержки и температуру кондиционирования.

Рис. 1 Микрофотографии BSE бетона, показывающие три различные характеристики ITZ: а) пористый ITZ, б) плотный ITZ и в) смесь пористого и плотного ITZ; г) распределение пористости для трех типов ITZ, измеренное с помощью анализа изображений.

Наши испытания показали, что транспортные свойства строительных растворов снижались с увеличением доли ITZ для всех случаев (рис. 2). Не было обнаружено критического порогового содержания песка, связанного с эффектом просачивания ITZ, даже в образцах, которые были намеренно повреждены сушкой при 105 ° C.Сильная сушка в печи приводит к образованию микротрещин шириной 0,5-10 мкм, которые связаны между собой и имеют произвольную ориентацию. Микротрещины оказывают существенное влияние на проницаемость, которая увеличилась до 30 раз при сравнении того же образца, высушенного при 50 ° C и 105 ° C.

Диффузия и сорбционная способность увеличились всего в 2 раза. Несмотря на меньшую долю ITZ, бетоны имеют примерно такой же коэффициент диффузии и сорбционной способности, но значительно более высокую проницаемость, чем растворы с такой же долей заполнителя (рис. 2).Результаты анализа изображения (рис. 3) показывают, что более высокая проницаемость бетона объясняется большим количеством микротрещин, которые образуются в бетоне по сравнению с раствором.

Рис. 2 Измерения при транспортировке показали, что у бетонов схожие коэффициенты диффузии и сорбции, но проницаемость в десять раз выше, чем у растворов той же фракции заполнителя. Более высокая проницаемость в бетоне обусловлена ​​большим количеством микротрещин.

На результаты экспериментов часто влияют многие изменяющиеся параметры, которые трудно выделить, маскируя важные тенденции.Таким образом, численное моделирование было выполнено, чтобы дополнить нашу экспериментальную работу и поддержать наше понимание основных механизмов. Трехфазная композитная модель была разработана для оценки стационарной диффузии хлоридов строительных растворов и бетонов [2].

Модель была использована для изучения влияния нескольких взаимодействующих параметров и определения тех, которые оказывают наиболее значительное влияние на коэффициент диффузии. Нелинейная модель конечных элементов использовалась для моделирования микротрещин, вызванных усадкой, и исследования его влияния на проницаемость бетона и растворов [3].

Результаты обоих исследований согласуются с экспериментальными наблюдениями и подчеркивают важность микротрещин для переноса. Например, моделирование микротрещин, вызванных усадкой (рис. 4), показало, что более высокая проницаемость в бетоне обусловлена ​​более широкими трещинами, которые образуются в результате большего размера заполнителя в бетоне, что согласуется с экспериментальными данными.

Рис.3 Микрофотография BSE, на которой видны микротрещины в бетоне, высушенном при 105 ° C. Высыхающие и вызванные нагреванием микротрещины имеют ширину от 0 до 0.От 5 до 10 мкм.

В исследовании делается вывод, что чистое влияние ITZ невелико даже для образцов с большой долей перекрывающихся ITZ. Влияние общей пористости и наличия микротрещин намного перевешивает любое влияние перекрывающихся ITZ на транспортировку. Таким образом, массоперенос регулируется всей структурой пор внутри цементного теста, а не только внутри ITZ.

Рис.4 Моделирование микротрещин, вызванных усадкой, в образцах, содержащих различную объемную долю агрегата и размер частиц, с использованием метода МКЭ с дискретной решеткой (сотрудничество с доктором Dr.Питер Грассл, Университет Глазго). Моделирование показывает, что увеличение размера заполнителя при равной объемной доле увеличивает ширину трещины и, как следствие, значительно увеличивает проницаемость [3].

Благодарности: Этот проект поддержан EPSRC (EP / F002955 / 1)

Список литературы

• H.S. Вонг, М. Зобель, Н. Buenfeld, R.W. Zimmerman (2009), Влияние межфазной переходной зоны и микротрещин на коэффициент диффузии, проницаемость и сорбционную способность материалов на основе цемента после сушки, Mag.Concr. Res., 61, 571-589.
• J.J. Чжэн, Х.С. Вонг, Н. Buenfeld (2009), Оценка влияния ITZ на стационарный коэффициент диффузии хлоридов в бетоне с использованием численной модели, Cem. Concr. Res., 39, 805-813.
• P. Grassl, H.S. Вонг, Н. Buenfeld (2010), Влияние размера и объемной доли заполнителя на микротрещины, вызванные усадкой в ​​бетоне и растворе, Cem. Concr. Res., 40, 85-93.

PPT — Введение в строительную отрасль Презентация PowerPoint, скачать бесплатно