Микроразрушения бетона в элементах со сложной формой поперечного сечения
На развитие процессов коррозии помимо многочисленных внешних воздействий, состава бетона оказывает существенное влияние уровень напряженного состояния в элементе конструкции от силового воздействия. Установлено, что при сравнительное небольших напряжениях скорость проникновения коррозии в тело бетона снижается. А затем по мере повышения уровня напряжений эта скорость начинает возрастать (В.М. Бондаренко, А.В. Боровских «Износ, повреждения и безопасность железобетонных сооружений», 2000, Е.А. Ларионов «Длительное силовое сопротивление и безопасность сооружений», 2005). Это явление связано с процессом микротрещинообразования в бетоне при его нагружении (О.Я. Берг «О выносливости железобетонных конструкций», 1960). Экспериментально установлено, что до некоторого напряжения RoT микроразрушений в бетоне не происходит. При напряжениях [сигма] > RoT начинается процесс микроразрушений, который по мере повышения напряжений о приводит к исчерпанию несущей способности бетона.
Процесс микроразрушений в бетоне под влиянием нагрузки и его влияние на скорость проникновения коррозии в тело конструкции имеет важное значение при оценке надежности предварительно-напряженных железобетонных конструкций. Это связано с тем что под влиянием предварительного напряжения арматуры часть сечения элемента постоянно сжата. В зависимости от уровня сжимающих напряжений коррозия может замедлиться или интенсифицироваться и защитные функции бетона по отношению к арматуре возрастать или снижаться. Важно также отметить, что наличие арматурных стержней в теле бетона тоже может оказывать определенное влияние на процесс микротрещинообразования, поскольку металлические стержни препятствуют свободной усадке бетона при твердении.
С целью изучения процессов микротрещиобразования в предварительно-напряженных конструкциях были проведены специальные экспериментальные исследования.
Реальные железобетонные конструкции отличаются сложной формой поперечного сечения, не соответствующей поперечному сечению опытных образцов в виде призм. Поэтому представляет интерес исследовать, в какой мере результаты, полученные при испытании призм, могут быть распространены на реальные конструкции. Изучить все встречающиеся на практике особенности конструкций в рамках одной работы не представляется возможным. В связи с этим ниже изучается сечения предварительно напряженных элементов, в процессе эксплуатации которых наблюдалось образование и развитие трещин в сжатой зоне сечения.
По своему характеру трещины балочных преднапряженных конструкций могут быть разделены на следующие основные группы:
а) трещины в зоне расположения анкеров напряженной арматуры или забетонированных металлических элементов большого сечения;
б) наклонные трещины, ориентированные вдоль главных сжимающих напряжений в стенках балок;
в) продольные трещины в сжатых от предварительного обжатия поясах балок.
В рамках проводимых исследований интерес представляет изучение природы продольных трещин вдоль предварительно напряженной арматуры.
В поясах балок вследствие весьма значительных напряжений сжатия, обусловленных работой напряженной арматуры, происходит нарушение сплошности бетона. То есть под действием сжимающих напряжений развивается процесс микроразрушений, перерастающий в макроразрушения.
Для изучения этого явления в ЦНИИС Минтрансстроя были проведены специальные экспериментальные исследования. Исследования были направлены в основном на изучение железобетонных элементов с мощными арматурными пучками. Однако принципиальные положения, относящиеся к работе этих элементов, применимы и к другим конструктивным формам железобетона (О.Я. Берг, Г.Н. Писанко, Ю.Н. Хромец, Е.Н. Щербаков «Об образовании и развитии продольных трещин в предварительно напряженных мостовых конструкций», 1966).
Исследования проводились на бетонах класса ВЗО-В45. Были испытаны два типа образцов. Образцы 1-го типа имели размеры поперченного сечения 15x30 см и высоту 60 см. По оси сечения был расположен продольной канал диаметром 70 мм, который у части образцов был заполнен стальной трубкой диаметром 70 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Другая часть образцов I типа (Iа) имела высоту 70 мм, а в качестве арматуры здесь была использована трубка диаметром 58 мм с укрепленными по периметру продольными стержнями d = 5 мм. В данном случае имитировалась пучковая арматура. Часть образцов первого типа была изготовлена из песчаного бетона.
Образцы II типа размером 46/14x19 см и высотой 180 см имели три продольных канала без заполнения.
Для изучения влияния поперечного армирования на процесс микротрещинообразования и трещиностойкость часть образцов обоих типов была снабжена хомутами d = 6-8 мм, расположенными с шагом 10 и 20 см. Часть хомутов, расположенных с шагом 20 см была из арматуры периодического профиля.
Одна часть образцов I и II типов хранилась при температуре 15-20 С под влажным песком; другая - в течение 2 суток находилась во влажном состоянии, а затем пропаривалась по следующему режиму: подъем температуры до 80 С в течение 3 часов, продолжительность выдержки при этой температуре - 8 часов, затем сброс температуры до 20 С в течение 6 часов.
Параллельно с образцами бетонировали призмы размером 15x15x60 см и кубики размером 10 и 15 см, которые после изготовления хранили в условиях, аналогичных условиям хранения образцов.
Процесс микротрещинообразования фиксировали тензометрическим и ультразвуковым методами.
Полученные в результате испытаний данные для образцов типов I, II и Iа приведены в табл. 5. На основании полученных данных выполнено сопоставление относительных величин напряжений, соответствующих началу микроразрушений в образцах и призмах типа I . В этой таблице за 100% принята граница трещинообразования в призмах.
Прочность образцов несколько ниже (в среднем на 6%) прочности призм при естественном твердении и несколько ниже (в среднем на 3%) при пропаривании. Граница микроразрушений по массиву тела образца как при естественном твердении, так и при пропаривании в среднем совпадает с той же границей для призм. Расхождение составляет 2-3%. Граница микроразрушений, зафиксированная в образцах в непосредственной близости от отверстия (по защитному слою), значительно ниже, чем в соответствующих призмах и по массиву тел тех же образцов.
Аналогичное сопоставление результатов испытаний сделано для призм и образцов типа П. Прочность образцов этого типа превышает прочность соответствующих призм в среднем на 9% вне зависимости от условий твердения. Снижение границы микроразрушений в бетоне, расположенном в непосредственной близости от каналов, по сравнению с призмами составляет 32% при естественном твердении и 41% при пропаривании.
Оценивая результаты экспериментов можно заключить, что размеры поперечного сечения образца не оказывают влияния на прочность материала и не влияют на уровень напряжений, соответствующих началу микротрещинообразований. Пропаривание бетона для ускорения набора прочности снижает границу микротрещинообразований.
Наличие каналов существенно снижает границу микроразрушений в бетоне, примыкающем к каналу (в защитном слое).
В образцах и призмах из песчаного бетона нижняя граница микро-разрушений несколько повышена по сравнению с обычным бетоном. Кроме того, в образцах из этого бетона обнаруживается меньшее снижение RoT в защитном слое по сравнению с соответствующими призмами, Так, это снижение RoT(обр) составляет в среднем 20% для образцов естественного твердения и 28% для пропаренного бетона.
Для того чтобы установить влияние хомутов на образование и развитие микротрещин в защитном слое в табл. 8 проведено сравнение относительной границы трещинообразования образцов с хомутами и без них.
Момент образования микротрещин практически не зависит от наличия или отсутствия хомутов. Значительно более четко влияние поперечного армирования сказывается на характере развития видимых продольных трещин.
Испытания партий образцов 1а показали, что арматура в виде пучка и хомуты из арматуры периодического профиля не оказывают влияния на уровень напряжений RoT/Rnp.
Результаты экспериментальных исследований процессов микротрещинообразования в защитном слое показали, что этот процесс в непосредственной близости к арматурным стержням начинается при напряжениях существенно меньших чем в остальных частях сечения. Это свидетельствует о том, что процесс коррозии бетона защитного слоя будет проходить значительно интенсивнее, чем в остальных частях предварительно-напряженного элемента. Чтобы сохранить во времени функции защитного слоя как можно дольше, следует стремиться к минимизации деформаций усадки в процессе твердения путем соответствующего подбора состава бетона и обеспечения условий твердения. Для наиболее ответственных элементов конструкции следует увеличивать толщину защитного слоя. И, наконец, при обследовании эксплуатируемых конструкций необходимо особенно тщательно оценивать состояние защитного слоя, глубину проникновения процессов коррозии. Таким образом, экспериментально установлена возможность направленного регулирования качества железобетонных изделий за счет изменения условий их твердения. Полученные результаты могут быть использованы на стройплощадке при возведении монолитных зданий и сооружений и предприятиях сборного железобетона.