УДК 691.32

Д.Н. КОРОТКИХ, доктор техн. наук, доцент кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций,
Е.М. ЧЕРНЫШОВ, доктор техн. наук, профессор, академик РААСН, директор образовательного творческого академического центра «Архстройнаука», Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Ключевые слова: цементный бетон, сопротивление разрушению, конструкционный потенциал, технико-экономическая эффективность
Keywords: cement concrete, fracture resistance, structural capacity, technical and economic efficiency

В статье рассматривается проблема критериальной оценки конструкционного потенциала и технико-экономической эффективности современных цементных бетонов. Приводятся данные о совокупности показателей сопротивления разрушению бетонов. Конструкционный потенциал бетонов, сопротивление их разрушению рассматриваются сквозь призму структурного подхода.

Сопротивление разрушению является определяющей функциональной характеристикой конструкционных строительных материалов. Технические показатели и экономическая эффективность изделий в значительной мере обусловливаются достигаемым уровнем сопротивления бетонов разрушению – их конструкционным потенциалом.

Конструкционный потенциал представляет собой интегральное понятие и раскрывается в оценке показателей деформативности, проч­ности, трещиностойкости и многих других свойств, отражающих особенности процесса развития напряжений и деформаций в бетоне при механическом нагружении или при других видах нагрузки.

Сопротивление разрушению по своей сути, общему механизму едино для любых видов воздействий. Результатом всех видов воздей­ствий является формирование и изменение напряженно-деформированного состояния бетона как структурированной системы. При этом процесс деформирования и разрушения бетона важно характеризовать именно с учетом определяющей роли его структуры. Оценивая конструкционный потенциал, необходимо четко понимать структурно-физическую природу сложного кинетического процесса деформирования и разрушения и использовать это для управления свойствами материала. Эволюционное развитие понимания структуры как определяющего фактора в разработке высокоэффективных бетонов с совершенствованием методов качественной и количественной ее идентификации происходило в направлении от макро- через мезо- к микроструктуре и неизбежно дошло до наноструктурного уровня [1-3].

На современном этапе развития технологии бетона определяющим оказываются уже не столько проблемы прочности, сколько проблемы повышения эффективности технологии бетона и самого бетона по критериям ресурсоемкости в расчете на единицу измерения его качества [4-7]. Поэтому проблема технико-экономической эффективности структуры бетона при обеспечении его конструкционного потенциала является краеугольным камнем технологических платформ его производства и применения.

В научном смысле технологические платформы выстраиваются из суммы соответствующих фундаментальных знаний, обеспечивающих научно обоснованное рассмотрение проблем конструирования и синтеза структур в их закономерной связи со свойствами получаемого материала [1]. В механо-физической платформе, отвечающей задачам формирования оптимальной макро- и мезоструктуры, это прежде всего механика и реология зернистых сред; в физико-химической платформе, нацеленной на решение задач управления формированием микроструктуры, это химическая кинетика гетерогенных процессов, коллоидная химия, физическая химия поверхностных явлений, кристаллохимия и др.; в нанотехнологической платформе, затрагивающей проблемы структурообразования матричной субстанции бетонов на самом «тонком» уровне ее строения, это нанохимия, интегрировавшая современные достижения физики и химии твердого состояния. Вся совокупность фундаментального знания этих наук в отношении бетонов образует современную технологическую платформу [1].

Рассматривая проблему конструирования структур современных бетонов и их конструкционного потенциала, можно исходить из их классификации по пределу прочности при сжатии, например, подразделив их [1, 8] на 5 групп: I – группу рядовых бетонов (с прочностью до 40 МПа), имеющих самый массовый спрос и потребление на строительном рынке; II – группу бетонов повышенной прочности (40-80 МПа), широко применяемых при строительстве высотных зданий и сооружений; III – группу высокопрочных бетонов (80-120 МПа) целевого применения для конструкций зданий и сооружений повышенной ответственности и большого эксплуатационного ресурса; IV – группу особовысокопрочных бетонов (более 120 МПа) специального назначения; V – группу сверхвысокопрочных и высокотрещиностойких бетонов уникального назначения.

Если иметь в виду различия конструкции структур этих групп бетонов, то с полным основанием можно говорить и о пяти соответствующих структурных группах бетонов, идентифицируемых посредством оценки определяющих характеристик и параметров их строения [1, 8]. Обобщенными характеристиками структуры при таком подходе могут являться: параметры квазиоднородности структуры на каждом ее масштабном уровне; тип цементации; интегральные качественные характеристики твердой фазы и порового пространства.

Реализуя технологические платформы, их принципы и механизмы формирования структур бетонов, предлагаемые варианты технологических решений, важно иметь в виду характеристики технико-экономической эффективности для бетонов различных структурных групп и различного потенциала сопротивления разрушению. Изменение характера деформирования и разрушения бетонов, достигаемое целенаправленным конструированием структуры, предопределяет эффективность его работы по критериям сопротивления разрушению (табл. 1).

Таблица 1. Показатели сопротивления разрушению высокопрочных бетонов типичных структур

Свойства и характеристики процесса разрушения	Значения свойств и характеристик для бетонов:
	I группы	II группы	III группы	IV группы	V группы
Предел прочности при сжатии, МПа	33…38	48…54	80…90	120…130	120…130
Предел прочности при изгибе, МПа	4,7…4,9	5,7…6,2	9,2…10,1	10,5…11,2	35…40
Модуль упругости, МПа·103	32…35	39…41	43…46	48…52	До 60
Вязкость разрушения, МН/м3/2	0,85…0,95	1,0…1,1	0,9…1,1	0,9…1,0	Более 3,0
Коэффициент Пуассона	0,20…0,21	0,18…0,19	0,16…0,17	0,14…0,15	0,22…0,29
Предельная растяжимость, мм/м	1,1…1,2	1,2…1,3	0,85…0,9	0,7…0,8	До 10
Удельная энергия разрушения, Дж/м2	75	104,1	266,2	280	Более 9000

Эффективность структуры бетона наглядно иллюстрируется лепестковой диаграммой показателей сопротивления разрушению бетонов I-IV групп (см. рис. 1). Для ее построения использовались полученные данные о силовых и энергетических характеристиках сопротивления разрушению – модуль упругости, предельная растяжимость, полная энергия разрушения и ее составляющие (работа упругого деформирования, работа микро- и макротрещинообразования), критический коэффициент интенсивности напряжений при нормальном отрыве.

При построении лепестковой диаграммы масштабы предела прочности при сжатии Rсж, при изгибе Rизг, вязкости разрушения KIc, полной работы разрушения GIc, модуля упругости Е, предельной растяжимости ε и коэффициента Пуассона ν выбраны таковыми, чтобы для бетонов I группы сформировался равносторонний многоугольник. Для остальных групп бетонов с изменяющимися структурой и свойствами сопротивления разрушению они откладывались в том же масштабе, в результате чего наблюдалось «искажение» лепестковых диаграмм, наглядно раскрывающее нарастающее противоречие между увеличением прочности и относительным снижением трещиностойкости.

Конструкционный потенциал бетонов и их технико-экономическая эффективность также может иллюстрироваться кинетикой накопления повреждений в структуре бетона при его деформировании и разрушении (рис. 2).

Анализ кинетики накопления повреждений методами акустической эмиссии, полных равновесных диаграмм деформирования и лазерной голографической интерферометрии [9-11] показывает, что изменение структур бетонов от I группы к структурам бетонов IV группы сдвигает переход от линейной модели деформирования к нелинейной (переход от стадии упругого деформирования к стадии микротрещинообразования) в область более высоких напряжений, особенно это характерно для структур бетонов IV группы.

Высокотрещиностойкие бетоны V группы с многоуровневым дисперсным армированием структуры [12] имеют принципиально отличный механизм разрушения. Наблюдается многократное перераспределение напряжений с матрицы на армирующие волокна посредством контактной зоны как на стадии микротрещинообразования, так и на стадии макротрещинообразования. Формируется не одна магистральная трещина, а сеть микротрещин, начало ее образования приходится на уровень напряжений σ/R=0,40…0,43. Область предразрушения не ограничивается узкой локализованной зоной в месте наибольших деформаций, а распространяется на весь деформируемый объем материала между опор. Достижение предела прочности не является моментом разрушения материала, совокупность армирующих элементов надежно связывает материал в единое целое. При дальнейшем деформировании происходит расширение уже образовавшихся трещин, на что затрачивается дополнительная работа. Применительно к таким высокотрещиностойким бетонам можно говорить о принципиально ином типе разрушения и о переходе от хрупкого типа разрушения к псевдопластическому.

Именно изменение условий диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений предопределяет тип разрушения бетона и характеристики этого сложного процесса [13]. С этой точки зрения условия диссипации энергии при деформировании бетонов I-IV групп, описываемые величинами удельных объемов зон псевдопластических деформаций, характеризуются одним диапазоном значений (0,02…0,12 м³/м³ для образцов без искусственной трещины и 0,005…0,031 м³/м³ для образцов с искусственной трещиной) и выраженным хрупким типом разрушения. Удельный объем зон псевдопластических деформаций для этих групп бетонов характеризует лишь степень «хрупкости», то есть степень накопления повреждений перед последующим хрупким разрушением (рис. 3).

Технико-экономическая эффективность бетонов оценивалась по следующим удельным показателям (табл. 2) [8]:

• Rизг/Rсж – отношение пределов прочности при изгибе к пределам прочности при сжатии;

• Rсж/кгЦ – удельная прочность при сжатии, отнесенная к расходу цемента, МПа/кг;

• Wn/GIc – доля работы микротрещинообразования в общей работе разрушения;

• KIc/кгЦ – удельная вязкость разрушения, отнесенная к расходу цемента, кН/м³/2/кг;

• Vt/V – удельный объем материала в зоне локализации псевдопластических деформаций;

• GIc/кг – удельная работа разрушения, отнесенная к расходу цемента, Дж/м².

Таблица 2. Показатели эффективности структур бетонов групп I-V по критериям сопротивления разрушению

Удельные показатели	Значения показателей для бетонов:
	I группы	II группы	III группы	IV группы	V группы
Rизг/Rсж	0,13…0,14	0,11…0,12	0,09…0,11	0,07…0,09	0,25…0,32
Rсж/кгЦ	0,10…0,11	0,11…0,13	0,15…0,19	0,21…0,28	0,21…0,28
Wn/GIc	0,16	0,32	0,11	0,12	0,50
KIc/кгЦ	2,5…2,6	2,4…2,5	2,2…2,4	1,8…2,0	4,5…5,6
Vt/V	0,05	0,06	0,12	0,02	0,31
GIc/кг	0,21	0,21	0,53	0,46	13…17

Переход к структурам бетонов V группы обеспечивает значительный рост всех показателей сопротивления разрушению (см. табл. 1 и 2): при сопоставимом уровне показателей прочности при сжатии (на уровне 140 МПа) может быть обеспечен рост трещиностойкости (вязкости разрушения) в 3-4 раза, предельной растяжимости – на порядок, а полной работы разрушения – более чем в 30 раз. И это все является следствием изменения условий диссипации энергии внешнего воздействия в целенаправленно сконструированной структуре бетона.

Современные высокотехнологичные бетоны по своему конструкционному потенциалу являются значительно более эффективными по сравнению с традиционными бетонами по следующим показателям: удельная прочность при сжатии, отнесенная к расходу цемента, – на уровне 0,3 МПа/кг, что в 2-2,5 раза выше, чем для традиционных бетонов; удельная вязкость разрушения, отнесенная к расходу цемента, – на уровне 5,5 кН/м³/2/кг и более (2-2,5 кН/м³/2/кг характерно для структуры традиционных бетонов); удельная работа разрушения, отнесенная к расходу цемента, – на уровне 15 Дж/кг, что более чем в 80 раз превышает значение аналогичного показателя для традиционных бетонов.

Библиографический список

1. Баженов Ю.М. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы / Ю.М. Баженов, Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Строительные материалы, № 3, 2014, с. 6-14.
2. Баженов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. – М.: Изд-во АСВ, 2006. – 368 с.
3. Баженов Ю.М. Высококачественный тонкозернистый бетон // Строительные материалы, № 2, 2000, с. 24-25.
4. Калашников В.И. Высокоэкономичный композиционный цемент с использованием золы-уноса / В.И. Калашников, Е.А. Белякова, О.В. Тараканов, Р.Н. Москвин // Региональная архитектура и строительство, № 1, 2014, с. 24-29.
5. Калашников В.И. Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения // Бетон и железобетон, № 1, 2012, с. 82.
6. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения // Строительные материалы, № 10, 2012, с. 70-71.
7. Калашников В.И. Супер- и гиперпластификаторы. Микрокремнеземы. Бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / В.И. Калашников // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси, № 4, 2011, с. 60-69.
8. Коротких Д.Н. Оценка эффективности цементных бетонов различных структурных групп по показателям их сопротивления разрушению / Д.Н. Коротких, Е.М. Чернышов, Т.К. Акчурин, А.В. Ушаков, А.Г. Кесарийский // Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов: сб. статей по матер. 7-й междунар. науч. конф. в 2 т. Т. 1 / РААСН, Воронеж­ский ГАСУ. – Воронеж, 2013, с. 159-177.
9. Чернышов Е.М. Оценка параметров процесса трещинообразования в структуре современных бетонов методом лазерной голографической интерферометрии / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких, А.Г. Кесарийский // Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов: Сб. докл. 6-й международной конф. СПбГАСУ. – СПб, 2012, с. 65-71.
10. Коротких Д.Н. Закономерности разрушения структуры высоко­прочных цементных бетонов на основе анализа полных равновесных диаграмм их деформирования (часть 1) // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. ­Серия: Строительство и архитектура. Вып. 26, 2012, с. 56-67.
11. Коротких Д.Н. Иерархия трещинообразования и многоуровневое дисперсное армирование структуры бетона / Д.Н. Коротких, И.И. Ушаков, С.И. Ушаков, Е.М. Чернышов // Вестник ОГАСА. Вып. 39, том 2. – Одесса, 2010, с. 4-13.
12. Коротких Д.Н. Закономерности разрушения структуры высоко­прочных цементных бетонов на основе анализа полных равновесных диаграмм их деформирования (часть 2) // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. ­Серия: Строительство и архитектура. Вып. 27, 2012, с. 54-62.
13. Чернышов Е.М. Феноменология локализованных зон активной диссипации энергии при деформировании и разрушении современных бетонов / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. Вып. 31 (50), ч. 2, 2013, с. 212-222.