Оценка долговечности жаростойких и обычных бетонов по кинетике субкритического роста трещин при воздействии высоких температур и нагрузки

Обычный и жаростойкий бетоны широко применяются в различных отраслях промышленности в конструкциях, подверженных воздействию повышенных и высоких температур

Жаростойкие бетоны и конструкции из них применяются при строительстве таких сооружений, как: туннельные печи и футеровка вагонетокфундаменты под промышленные печи и дымовые трубыднища алюминиевых электролизеровпечи нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводовшлаковики и регенераторы мартеновских печейнагревательные колодцыборова и дымовые трубыкоксовые батареиполы горячих цехов.

Обычный бетон также подвергается высокотемпературному нагреву, например, в экстремальных условиях пожара. При этом в материале происходят сложные процессы теплои массопереноса, возникает давление паров воды в его структуре и изменяются прочность, деформативные свойства, характеристики капиллярно-пористой структуры и другие свойства, что приводит к изменению несущей способности и долговечности бетона.

Применение крупноразмерных блоков и панелей из жаростойкого бетона и железобетона, взамен мелкоштучных огнеупорных материалов, позволяет разработать новые конструктивные решения, решить проблему комплексной механизации строительных процессов, снизить стоимость, уменьшить продолжительность возведения теплотехнических сооружений, повысить их надежность и долговечность, а также значительно сэкономить топливно-энергетические ресурсы.

В опубликованных к настоящему времени работах показано, что долговечность жаростойких и обычных бетонов, подвергающихся воздействию высоких температур и нагрузки, можно прогнозировать и регулировать путем рационального выбора исходных материалов и видов бетона, изменения его состава, использования различных технологических и конструктивных приемов.

Разработка научных основ прогнозирования долговечности жаростойких бетонов, а также обычных бетонов после нагрева, в экстремальных условиях (пожар, тепловой удар и т. п.), имеет большое народнохозяйственное значение, так как на строительство, эксплуатацию и ремонт тепловых агрегатов, зданий и сооружений, подвергаемых действию повышенных и высоких температур, вкладываются огромные материальные средства.

В настоящее время для бетона, по стандартным методикам, определяются, в основном, механические свойства, такие как предел прочности на растяжение и сжатие, модуль упругости и другие, что не позволяет количественно оценить его долговечность. Применение методов механики разрушения дает возможность учесть снижение прочности материала в результате докритического роста трещин под действием как постоянных, так и переменных нагрузок, а также оценить и прогнозировать долговечность конструкций из бетонов при воздействии высоких температур. Однако существуют определенные трудности. Получение достоверных параметров медленного роста трещин, позволяющих прогнозировать долговечность жаростойких и обычных бетонов, затруднено отсутствием до настоящего времени научно-обоснованной стандартной методики их определения.

Теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие прогнозировать долговечность бетонов по кинетике субкритического роста трещин при воздействии температуры и нагрузки, вносят вклад в решение задач повышения их качества и надежности, а следовательно способствуют сокращению материальных затрат на строительство, эксплуатацию и ремонт зданий и сооружений.

Цель диссертационной работы — разработка экспериментальных методов оценки долговечности жаростойких и обычных бетонов по кинетике субкритического роста трещин под действием температурных и механических напряжений, которые могут быть использованы как при создании новых и совершенствовании известных составов бетонов, так и для оценки конструкционных возможностей различных видов бетонов при работе в заданных условиях.

Для успешного достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— создать установку для определения прочности жаростойких и обычных бетонов в широком интервале скоростей нагружения;

— оценить ее работоспособность и определить минимально необходимое количество испытаний при вероятностной оценке контролируемых параметров;

— экспериментально установить общий характер зависимости изменения прочности бетона от скорости напряжения (в широком интервале скоростей нагружения) и рабочий интервал скоростей напряжения, а также исследовать влияние на характер этой зависимости высокотемпературного нагрева бетона;

— получить статистические данные, позволяющие судить о степени влияния скорости напряжения на характер эмпирических распределений пределов прочности бетонов, как подвергавшихся, так и не подвергавшихся температурным воздействиям;

— провести испытания образцов-близнецов на трехточечный изгиб в условиях переменного напряжения, в установленном рабочем интервале скоростей напряжения, для определения предела прочности при разрушении, а также параметров медленного роста трещин и статистической функции распределения Вейбулла;

— с помощью уравнений механики разрушения, в сочетании с параметрами функции распределения Вейбулла, построить диаграммы устойчивости к разрушению, в зависимости от уровня постоянных напряженийиспользовать диаграммы устойчивости к разрушению для прогнозирования долговечности бетонов, подвергающихся действию температурных и механических напряжений, с целью оценки их пригодности при определенных условиях применения: допустимой вероятности разрушения, установленном максимальном напряжении эксплуатации в диапазоне предъявляемых требований по сроку службыразработать прикладные программы обработки результатов экспериментов к ПК для определения параметров уравнений механики разрушения и статистической функции распределения Вейбулла, а также для оценки долговечности, с заданной вероятностью разрушения, при прогнозировании сроков службы бетона.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— на основе методов механики разрушения, в сочетании с функцией распределения Вейбулла, и испытаний на прочность при изгибе образцов-близнецов, на созданной установке, разработаны методы, позволяющие прогнозировать долговечность бетонов, подвергающихся воздействию высоких температур и нагрузки, при заданной вероятности разрушения;

— экспериментально установлен общий характер зависимости изменения прочности бетона от скорости напряженияопределены рабочие интервалы скоростей напряжения, а также исследовано влияние на характер этой зависимости высокотемпературного нагрева бетона;

— исследованы закономерности изменения параметра сукритического роста трещин (снижения прочности) бетонов в зависимости от высокотемпературного нагрева, вида и состава бетона, возраста материала, а также их влияние на характер зависимости «прочность — скорость напряжения»;

— получены новые статистические данные, позволяющие судить о степени влияния скорости напряжения на характер эмпирических распределений пределов прочности бетонов, как подвергавшихся, так и не подвергавшихся температурным воздействиям;

— с помощью уравнений механики разрушения, в сочетании с функцией распределения Вейбулла, впервые построены диаграммы устойчивости к разрушению, позволяющие прогнозировать долговечность бетонов, а также анализировать влияние на нее циклического и высокотемпературного нагрева, вида и возраста материала, уровня постоянных напряженийдиаграммы устойчивости к разрушению использованы для прогнозирования долговечности бетонов, с целью оценки их пригодности для работы в заданных условиях: допустимой вероятности разрушения, установленном максимальном напряжении эксплуатации, в диапазоне предъявляемых требований по сроку службы.

Научная новизна работы подтверждается патентом № 2 078 301 на изобретение, зарегистрированным в Государственном реестре изобретений РФ 27 апреля 1997 г.

На защиту выносятся:

— методы прогнозирования долговечности жаростойких и обычных бетонов по кинетике субкритического роста трещин при воздействии высоких температур и внешней нагрузки, с помощью статистической функции распределения Вейбулла;

— результаты исследований общего характера зависимости изменения прочности бетонов от скорости напряжения в широком интервале скоростей напружения, а также определения линейной области этой зависимостирезультаты исследований влияния высоких температур на характер зависимости изменения прочности бетонов от скорости напряжения в широком интервале скоростей напряжения;

— результаты исследований, позволяющие, с помощью статистической функции Вейбулла, судить о степени влияния скорости напряжения на характер эмпирических распределений пределов прочности бетонов, как подвергавшихся, так и не подвергавшихся температурным воздействиям;

— результаты экспериментальных исследований влияния на показатель субкритического роста трещин (снижения прочности) жаростойких и обычных бетонов высокотемпературного нагрева, вида и возраста бетона, в зависимости от скорости напряжения, в пределах границ линейного участка на кривой «прочность-скорость напряжения», на котором параметр субритического роста трещин п является постоянной материала;

— исследование закономерностей изменения долговечности жаростойких и обычных бетонов, в зависимости от уровня разрушающих напряжений, с использованием вероятностного и детерминированного подходов, имеющих различный состав и возраст, подвергавшихся стационарному высокотемпературному и циклическому нагреву;

— результаты исследований взаимосвязи показателей долговечности бетонов с параметром однородности структуры распределения Вейбулла и влияние на эту связь высокотемпературного нагрева.

Практическая ценность работы:

— разработан комплексный метод и рекомендации, позволяющие прогнозировать долговечность жаростойких и обычных бетонов по кинетике субкритического роста трещин, при воздействии высоких температур и внешней нагрузки, в диапазоне предъявляемых требований по сроку службы с допустимой вероятностью разрушения и максимальному напряжению в эксплуатации.

— данный метод может быть использован как при разработке новых и совершенствовании известных составов бетонов, подвергавшихся воздействию высоких температур, с целью повышения их долговечности, так и для оценки конструкционных возможностей различных видов бетонов для работы в заданных условиях.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены в Волгоградском производственном объединении «Гелий» и используются при подборе оптимальных рабочих составов бетонов, применяемых для устройства фундаментов под оборудование, работающее под высоким давлением. Методы прогнозирования долговечности бетонов используются ТОО «Волта» для оценки конструкционных возможностей растворов и бетонов, твердеющих в неблагоприятных температурно-влажностных условиях, которые применяются на строительстве жилого комплекса. Данная методика также внедрена филиалом УМСИА Сумского облагростроя в рамках научно-производственной программы с ВолгГАСА, решающей вопросы повышения долговечности и коррозионной стойкости материалов на основе цементных и известковых вяжущих, в частности, при усовершенствовании технологии приготовления бетонов, используемых на объектах агропромышленного комплекса Калачевского района Волгоградской области.

Апробация работы. Материалы исследований и основные положения диссертационной работы докладывались: на научно-технической конференции, посвященной 40-летию ВолгГАСА, г Волгоград, 1992 г.- на 6 международном конгрессе по безопасности и надежности строительных конструкций, Инсбрук, Австрия 9−13 августа 1993 г.- на 2-ом международном конгрессе по механике разрушения бетона и бетонных конструкций Цюрих, Швейцария 25−28 июля, 1995 г.- на научно-практической конференции «Региональные аспекты реформы жилищно-коммунального хозяйства», г. Волгоград, 5 мая 1998 г.- на ежегодных научно-технических конференциях Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии, Волгоград, 1992;1999 гг.

Публикации. Результаты исследований изложены в 12 публикациях, получен патент № 2 078 301 на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложения, содержит 197 страниц машинописного текста, 52 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 121 наименования.

Общие выводы.

1 Теоретические методы механики разрушения позволяют прогнозировать долговечность бетонов. Процесс разрушения бетона, при действии высоких температур и нагрузки, является кинетическим, поэтому определение параметров роста трещин, описывающих этот процесс, является необходимым для прогнозирования долговечности бетона.

2. При оценке долговечности бетона необходимо учитывать характерную для него неоднородность и дефектность структуры, вызывающих «рассеяние» показателей прочности. В связи с этим необходима статистическая оценка характеристик прочности. Недостатки детерминированного подхода при оценке долговечности бетонов можно свести к минимуму путем совместного решения уравнений механики разрушения и статистической функции распределения Вейбулла.

3. Разработанная установка, позволяет проводить испытания цементного камня, раствора и бетона на прочность в условиях линейно — возрастающей.

2 5 нагрузки при скоростях напряжения от 10″ МПа/с до 10 МПа/с.

4. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие методические условия проведения испытаний: образцы, испытываемые на изгиб при различных скоростях напряжения, должны иметь надрезустановка для испытания образцов на изгиб должна иметь одну шарнирную опору с одной степенью свободы (цилиндр), а вторую — с двумя степенями свободы (шар) — датчик усилий должен иметь точечный контакт с поверхностью испытываемого образцапредварительное медленное приложение нагрузки небольшой величины (до 10% от разрушающей) — должно предшествовать испытанию образца до разрушениянеобходимое количество образцов, испытываемых с одинаковой скоростью роста напряжения и подвергавшихся каким-либо воздействиям (температуры, водонасыщению и др.) должно быть увеличено относительно контрольных, не подвергавшихся, ориентировочно на 30−50%.

5. Зависимость «прочность — скорость напряжения» для цементного камня, раствора и бетона в логарифмических координатах имеет криволинейное очертание, причем при скоростях напряжения превышающих 10−30 МПа/с эта зависимость из линейной переходит в криволинейную. Затем, в довольно широком интервале скоростей напряжения (50−250 МПа/с) зависимость снова становится линейной.

6. На кривой, зависимости «прочность/?^ - скорость напряжениям», можно выделить три характерных участка: прямолинейный — с незначительным углом наклона к оси абцисс, криволинейный и прямолинейный — круто уходящий от оси абцисс. Эта закономерность характерна для образцов из цементного камня раствора и бетона до нагревания, а также после их нагрева до температуры 800 °C.

7. Установлена общая тенденция изменения прочности цементного камня, раствора и бетона при различных скоростях напряжений: при низких скоростях (до 10−30 МПа/с) происходит незначительное упрочнение материала с менее выраженными упругими свойствамипри высоких скоростях напряжений, при незначительном изменении скоростей напряжений, прочность материала резко возрастает.

8. Скорость деформирования не оказывает влияние на характер распределения эмпирических значений пределов прочности испытуемых образцов. Проведенные нами испытания показали, что характер распределения пределов прочности образцов, испытанных при низких скоростях напряжения, совпадает с характером распределения пределов прочности образцов, испытанных при высоких скоростях напряжения, и хорошо согласуется с функцией распределения Вейбулла (критерий согласия Я близок к 1). Поэтому испытания образцов, для определения параметров распределения Вейбулла, целесообразно проводить при низких скоростях напряжений, что методически легче выполнять в лабораторных условиях.

9 Дифференциальная и интегральная пористость бетонов, характеризуют их капиллярно-пористую структуру, изменяющуюся в зависимости от температуры нагрева. Характер капиллярно-пористой структуры бетона и закономерности ее изменения в зависимости от температуры нагрева имеют важное значение, так как пористость оказывает влияние на физико-механические свойства бетона, а также является одной из причин трещинообразования или разрушения бетона.

10. Нагрев бетонов при высоких температурах приводит к изменению их структуры. Происходит перераспределение объемов пор по их размерам за счет уменьшения объемов мелких пор и увеличения макрои крупных пор, наблюдается изменение общей пористости бетона. По сравнению с обычным, жаростойкий бетон на портландцементе обладает более крупнопористой структурой. При этом пористый заполнитель оказывает существенное влияние на распределение пор в жаростойких бетонах.

11. На способность жаростойких материалов сопротивляться разрушению значительное влияние оказывает наличие в них крупного заполнителя. Длительность процесса разрушения более неоднородного по составу бетона, который является менее хрупким материалом, независимо от температуры нагрева, выше, по сравнению с цементным камнем.

12. Нагрев цементного камня, раствора и бетона при повышенных и высоких температурах приводит к снижению их прочности. Наибольшее снижение предела прочности на растяжение при изгибе при температуре 300 °C получено для обычного раствора. За счет наличия тонкомолотой добавки, прочность жаростойкого цементного камня, раствора и бетона при нагреве до 300 °C изменяется незначительно. При температуре 800 °C наиболее высокие значения остаточной прочности показал жаростойкий бетон, в то время как в образцах из обычного бетона происходило самопроизвольное трещинообразование и разрушение даже без приложения нагрузки за счет повторной гидратации СаО, образовавшейся в результате дегидратации Са (ОН)2 после нагрева бетона.

13. Скорость приложения нагрузки является не менее важным фактором, чем температура нагрева, который влияет на изменение показателей прочности цементного камня, раствора и бетона. У исследованных материалов происходит рост прочности с увеличением скорости напряжения. С увеличением скорости напряжения, менее однородный (по сравнению с раствором) обычный бетон в большей степени обладает способностью перераспределять увеличивающиеся напряжения и, в результате, в меньшей степени изменяет свою прочность. Растворные образцы, показатель субкритического роста трещин п которых меньше бетонных, имеют меньшую способность сопротивляться действию разрушающих напряжений.

14 С увеличением скорости напряжения показатели прочности жаростойких цементного камня, раствора, бетона и керамзитобетона также возрастают, при этом более пористые, по сравнению с обычными, жаростойкие материалы являются более хрупкими. Принимая во внимание, что пористость шамота (заполнителя) при нагреве до 800 °C изменяется незначительно, -параметры прочности жаростойкого цементного камня, раствора и бетона после нагрева изменяется в меньшей степени, чем у обычных раствора и бетона.

15. Циклический нагрев также приводит к снижению прочности бетона.

Несмотря на то, что температура нагрева не превышала 45 °C, характер нагрева вызывает знакопеременные напряжения, которые приводят к зарождению и развитию трещин, а испаряющаяся при этом влага может стать причиной растрескивания и разрушения бетона. Несущая способность материала после циклического нагрева уменьшается, что и отражает параметр субкритического роста трещин п.

16. В дополнение к данным о прочности материала необходимо иметь функцию распределения пределов прочности для того, чтобы оценить отражаемое этими данными распределение размеров дефектов.

Уравнения механики разрушения не учитывают разброс значений пределов прочности, получаемых при испытании цементного камня, раствора и бетона. Использование таких усредненных данных о пределах прочности, при оценке долговечности, не позволяет получить ее достоверные значения.

Для повышения надежности оценки долговечности т, в каждом случае необходимо иметь функцию распределения пределов прочности.

17. Оценку долговечности испытуемых материалов выполняли с помощью функции распределения Вейбулла, так как при этом учитывается вероятностный характер разрушения образцов.

18. Нагрев приводит к снижению долговечности испытуемых материалов. С увеличением уровня нагрузки, долговечность уменьшается, однако, долговечность образцов, не подвергавшихся нагреву, при высоких уровнях напряжения, снижается в большей степени, чем нагревавшихся образцов. Это происходит за счет того, что скорость подрастания магистральной трещины зависит от однородности материала. В образцах, имеющих более однородную структуру, при больших уровнях нагружения и (или) высоких скоростях напряжения, скорость подрастания магистральной трещины выше, чем в образцах с более дефектной структурой (после нагрева до температуры 800°С).

19. Неоднородная структура бетона является причиной разброса его прочностных данных, получаемых при испытании образцов-близнецов. В связи с этим исследовано влияние параметра однородности структуры (распределения размеров дефектов) Вейбулла и связанного с ним коэффициента вариации прочности на получаемые значения долговечности. Опыты показали, что чем выше параметр Вейбулла и меньше коэффициент вариации прочности, тем меньше различие в значениях долговечности полученных для рассматриваемого материала при заданных значениях вероятности разрушения.

20. Разработанный нами вероятностный подход к прогнозированию долговечности бетонов различного состава и возраста, подвергавшихся высокотемпературному нагреву, позволяет получить более надежные значения времени до разрушения г. Методика прогнозирования долговечности бетонов с учетом снижения прочности материалов, вследствие докритического роста трещины, а также вероятностного характера их разрушения позволяет производить оценку их конструкционных возможностей для работы в заданных условиях, не опасаясь катастрофически быстрого разрушения.