УДК 691.32.620
В.А. Перфилов, Т.К. Акчурин
Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия
Как показал анализ известных экспериментальных данных на вязкость разрушения цементного камня, раствора и бетона, достоверные значения критического коэффициента интенсивности напряжений — К IC, эффективной энергии разрушения — GС и других параметров роста трещин в условиях нормального отрыва были получены, как правило, на образцах больших размеров.
Однако, этот факт являлся необходимым для обеспечения при проведении испытаний стабильного прорастания исходной трещины. Подтверждением этому являются данные Ламкина, Ентова, Петерсона и др., полученные на образцах- плитах размером 150´90´6 см и образцах-балочках 5´5´64 см . В обоих случаях критический коэффициент интенсивности напряжений находился в пределах 1,35 — 2,3 МН/м3/2 при обеспечении стабильного прорастания трещины вплоть до разрушения.
Хиггинс и Бейли исследовали образцы из цементного камня длиной до 60 см и толщиной до 11 см. В результате размеры образцов оказались недостаточными для получения стабильных значений КIC. В частности, при увеличении высоты балочки значение КIC возрастает до постоянной величины, примерно равной 0,8 МН/м3/2. При этом ширина и длина балочек не влияли на вязкость разрушения.
Разнообразие и противоречивость получаемых данных в работах многочисленных исследователей, как известно, связаны с влиянием размеров образцов и неоднородностей структуры материалов при различной длине трещины на изменение К IC. В связи с этим авторами были проведены испытания геометрически подобных образцов-балочек различного размера, где длина инициируемой трещины (надреза) изменяется пропорционально масштабу. Обязательные при этом условия стабильного прорастания трещины соблюдались путем применения дополнительного элемента жесткости в виде “кольцо в кольце” к стандартному гидравлическому прессу. В качестве материалов для испытаний выбраны: цементный камень с нормальной густотой 28 %, цементно-песчаный раствор состава 1:3 (В\Ц =0,48), а также обычный тяжелый бетон состава 1: 1,8 : 3,65 (В/Ц=0,51). Возраст образцов к моменту испытаний составил 65 суток. Испытания, обеспечивающие стабильное разрушение, проводились на образцах-балочках, размеры которых характеризуют свойства материала с учетом неоднородностей его структуры. Поэтому, для цементного камня применялись образцы, размерами: 20´20´100 мм, 40´40´160 мм и 50´50´320 мм. Цементно-песчаный раствор приготавливался в формах с размерами 40´40´160 мм, 50´50´320 мм и 70´70´380 мм. Бетонные образцы имели следующие размеры: 50´50´320 мм, 70´70´380 мм и 100´100´400 мм. Глубина надреза во всех призмах составляла 0,25 от высоты образца.
Благодаря полученным экспериментально полным, с нисходящей ветвью, кривым “нагрузка-деформация”, энергия разрушения — G образцов определялась отношением работы ( площадь под диаграммой) разрушения — W к площади сечения образца — А, по которому проходит магистральная трещина. Значение G включает в себя поверхностную энергию в условиях идеально хрупкого отрыва и диссипацию энергии за счет необратимых деформаций на фронте трещины при ее продвижении. Учитывая различные размеры и массу однотипных образцов, удельную энергию разрушения при наличии полных диаграмм изгиба определяли по формуле Петерсона:
GС=(Wо+mg×fо) / А, (1)
где Wо — площадь полной диаграммы; m — масса образца; g — ускорение свободного падения; fо — максимальный прогиб образца при разрушении; А — площадь поперечного сечения образца с учетом глубины надреза. Наряду с энергетическим, определялся силовой критерий разрушения материала — К IС , учитывающий полную энергию разрушения и модуль упругости — Е. Согласно Брауну У. — Сроули Дж.:
(2)
На основании энергетического подхода, исходя из баланса энергии разрушения материала и энергии, высвобождающейся при этом, комплексным критерием, используемым при назначении размеров образцов, является критическая длина равновесной трещины — LC, которая определялась по формуле Черепанова:
L С= (Е×GC) / R2bt=(KIC / Rbt)2, (3)
где Rbt — предел прочности образцов на растяжение при изгибе. Анализ полученных данных (см таблицу) показал, что с увеличением размеров испытуемых образцов, в частности, высоты — h призмы с 20 мм до 50 мм прочность цементного камня падает незначительно (на 4 %), а эффективная энергия разрушения и критический коэффициент интенсивности напряжений увеличиваются, соответственно, на 25 % и 8,5% с последующей стабилизацией получаемых значений.
В цементно-песчаном растворе и бетоне неоднородности структуры оказывают значительное влияние на изменение показателей трещиностойкости. Так, в бетоне при увеличении высоты образца с 50 мм до 100 мм прочность снижается на 12 %, а энергия разрушения и коэффициент интенсивности напряжений возрастают, соответственно, на 50 % и 18 % (в растворе, соответственно, прочность падает на 14 %, а показатели трещиностойкости увеличиваются на 44% и 16 %), т.е. превышают аналогичные характеристики в цементном камне примерно в 2 раза.
Критическая длина магистральной трещины для цементного камня составляет: 8-10 мм, для цементно-песчаного раствора: 80-150 мм, для бетона: около 200 мм и выше, что согласуется с ранее полученными результатами других исследователей на образцах больших размеров.
Таким образом, анализ проведенных испытаний показал, что изменение характеристик трещиностойкости в цементном камне, растворе и бетоне с учетом неоднородностей структуры является аналогичным как для больших образцов, так и образцов стандартных размеров. Необходимым условием при этом должно быть стабильное прорастание трещины вплоть до окончательного разрушения образца. С минимальными ограничениями можно сделать вывод о том, что цементный камень подчиняется требованиям линейной механики разрушения. По мере насыщения вяжущего заполнителем (раствор и бетон) в той или иной степени проявляется нелинейный характер разрушения материала. Если длина трещины соответствует размерам включений в цементном камне, растворе или бетоне, то вязкость разрушения снижается.
