Прочность и деформационные свойства бетона. Современные представления о механизме деформации и разрушении бетона

Бетонная и железобетонная крепь стволов шахт не является монолитной в физическом смысле. Затвердевший бетон испещрен по всему объему мелкими трещинами, появляющимися вследствие естественного развития внутренних напряжений в процессе структурообразования еще до приложения внешней нагрузки. Размеры микротрещин не превышают долей микрона; наряду с порами они составляют неотъемлемый элемент структуры бетона. Микротрещины расположены хаотически, обычно не сообщаются между собой и влияют на прочность и проницаемость бетона так же, как и поры.

Обычно под прочностью понимают способность твердого тела воспринимать, не разрушаясь, воздействие внешних сил, под жесткостью — способность противостоять им без существенного изменения формы и размеров. Капитальность и долговечность крепи и армировки вертикальных стволов в сочетании с рациональным использованием материалов могут быть обеспечены только при тщательном исследовании прочности и жесткости их элементов. Однако важнейшее требование к вертикальным стволам — обеспечение прочности крепи и армировки при наименьшей затрате материалов — содержит в себе противоречие, поскольку повышение прочности достигается чаще всего увеличением поперечных размеров конструктивных элементов, в то время как экономия материалов заставляет стремиться к уменьшению тех же размеров. Чтобы разрешить это противоречие, в каждом конкретном случае следует установить оптимальные размеры, т. е. размеры, при которых прочность обеспечивается без излишних запасов и, таким образом, удовлетворяется экономическая сторона вопроса. Для этого необходимо выяснить, какие нагрузки, т. е. какие воздействия, испытывают крепь и армировка, определить внешние и внутренние силы, представляющие собой результат физического взаимодействия частиц, из которых состоят крепь и армировка, и, наконец, выбрать такие их размеры, чтобы эти силы не превышали предельных значений.

Однако проблема прочности (долговечности) чрезвычайно сложна, зачастую по причине грубой оценки прочности. Такое положение объясняется тем, что разрушение крепи и армировки зависит от множества факторов, не всегда изученных и не всегда даже известных. Большую роль играет структура бетона, которая может быть неоднородной и нестабильной, существенно влияние условий эксплуатации — характера внешних и внутренних воздействий, температурного режима ствола, агрессивности внешней среды и др. Зачастую материал крепи и армировки содержит многочисленные повреждения, начиная от микроскопических дефектов и кончая крупными порами и магистральными трещинами.

Наличие пор и микротрещин в цементном камне наряду с полем внутренних напряжений является причиной низкой прочности бетона по сравнению с теоретически возможной.

Относительно легкое разрушение цементного камня при растяжении — отделение одних твердых частиц от других — происходит вследствие неоднородного, «недружного» восприятия волокнами элементарного сечения приложенного растягивающего усилия. Волокна разрываются последовательно, по мере достижения в каждом из них предела прочности (разрываются контакты в кристаллическом сростке). Образование микротрещин начинается при твердении бетона. В дальнейшем на поле напряжений структурообразования накладываются напряжения от температурных и влажностных градиентов, а также от внешних сил, что, в свою очередь, способствует появлению микротрещин.

В настоящее время разработаны методы расчета температурных и влажностных напряжений в бетонных и железобетонных конструкциях с учетом ползучести, роста прочности бетона. В расчетах конструкций эти напряжения суммируются с напряжениями от внешней нагрузки, что значительно приближает расчетные условия к фактическим. При этом, однако, не учитывается значительная неоднородность поля структурных напряжений, отдельные пики в котором достигают значений теоретической прочности материала.

Из-за отсутствия метода расчета структурных напряжений их поле условно принимается равномерным на уровне нуля.. Практически его влияние выражается в различной прочности материалов: чем больше неоднородность поля, тем ниже прочность. Поле структурных напряжений в бетонах весьма неоднородно. Приведенная схема механизма деформации и разрушения бетона позволяет проследить за процессом трещинообразования в бетонных и железобетонных конструкциях при всех возможных сочетаниях нагрузок и температурно-влажностных воздействий. Первичными зачаточными очагами трещин являются микроразрывы, поры и перегородки между ними, испытывающие высокие структурные растягивающие напряжения.

Продолжающиеся длительное время процессы гидролиза и гидратации цемента обычно с избытком компенсируют структурные микроразрушения, и прочность цементного камня со временем возрастает. Ho известны случаи и самопроизвольного спада прочности. Когда под суммарным действием структурных и температурно-влажностных напряжений, а также внешних сил местная деформация удлинения бетона в определенном направлении превысит некоторый предел, который можно назвать действительной растяжимостью бетона, число микротрещин в сечении, перпендикулярном к этому направлению, становится столь большим, что они соединяются между собой, образуя качественно новый элемент в структуре бетона — макротрещину.

В отличие от микротрещин, макротрещина называется в дальнейшем просто трещиной, появляется в результате наложения на внутреннее неоднородное, но в целом изотропное поле структурных напряжений определенно ориентированного напряжения от температурно-влажностных градиентов и внешней силы. Направление последних и определяет положение и направление трещины. В простейшем случае осевого растяжения трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к оси элемента конструкции.

В более сложном случае, например под действием влажностных напряжений, на поверхности бетона образуется вуаль из систем трещин, выявляющих преимущественные направления усадочных деформаций бетона, в свою очередь зависящие от формы сечения конструкции. Трещинообразование обычно не сопровождается значительным ослаблением прилегающего к трещине материала. Твердость, прочность и плотность бетона в бортах трещины после разрыва остаются примерно такими же, какими были до разрыва.

Хотя четкой границы между микротрещинами и трещинами нет (трудно отличить зачаточную, образовавшуюся вследствие соединения нескольких микротрещин, от первичной микротрещины), все же можно отметить их основное различие. Микротрещины распределены в объеме равномерно, не имеют преимущественной ориентации и не сообщаются между собой. Трещины же возникают из-за деформации, имеющей определенное направление, вследствие чего разрывы между структурными микротрещинами, соединяясь в сплошную цепочку, образуют вполне ориентированную поверхность. Минимальное раскрытие трещин соизмеримо с шириной микротрещин. Верхнего предела величины раскрытия трещин в бетонных конструкциях не существует.

В железобетонных же конструкциях, благодаря совместной работе бетона с арматурой, удается соответствующим подбором последней ограничивать максимальную величину раскрытия трещин в пределах допустимой.

Крепь стволов и армировку регулярно подвергают техническому обслуживанию и при необходимости — ремонтам. Производится визуальный осмотр, который иногда дополняется высверливанием кернов, по которым определяют прочностные показатели, модуль упругости, водопроницаемость, иногда используют неразрушающие методы контроля (ультразвуковые и др.). Результаты подобных обследований позволяют получить представление об однородности состава бетона, определить наличие трещин и дефектные участки крепи и армировки.

Повреждения бетона обычно локализуются у поверхности и редко проникают на глубину более чем на 30—40 см.

Основываясь на результатах проверки характера разрушений бетонной крепи стволов шахт, можно сказать, что деструкция бетона вызывается несколькими причинами и прежде всего высокой пористостью, которая приводит к инфильтрации воды (образование дефектов ускоряется присутствием чистой воды, а также вод, содержащих углекислый газ или сульфаты), и низким качеством производства работ по возведению крепи, нарушением технологии при укладке и уплотнении бетонной смеси, плохим сцеплением старого бетона с новым, чрезмерно высоким тепловыделением и др. Среди других причин отметим также опасность воздействия талых и ливневых вод. Нередко вода вымывает большое количество извести. Вымывание происходит довольно медленно, но последствия его очевидны. Опасны отрицательные температуры — обмерзание бетона и его оттаивание.

Ремонтные работы связаны с большими затратами (табл. 4.1) и зачастую охватывают значительные участки ствола при его глубине. Как правило, участки разрушенного бетона расположены вблизи водоносных горизонтов. Локальные дефекты (трещины, температурные нивы, вывалы, места сопряжения бетонных слоев) могут во времени приобрести угрожающие размеры.

Когда ремонт охватывает значительную поверхность крепи, применяют несколько методов. Например:

1) разрушенный бетон разбирают, обрабатывают этот участок, а затем покрывают слоем железобетона толщиной 15—30 см, который анкеруется, расход цемента в смеси составляет 350 кг/м3, в бетонную смесь целесообразно ввести воздухововлекающую добавку, перед укладкой бетона можно наложить слой битуминозного материала или пластика;

2) покрытие из цементного раствора армируется и торкретируется двумя слоями, толщина покрытия составляет примерно 7 см, расход цемента 600 кг/м3, к раствору можно подмешивать воздухововлекающую добавку и винилполиацетат (для улучшения сцепления);

3) применяют также гибкие многослойные покрытия эпоксидными смолами или неопреном, армированные стеклотканью.