В железобетонных элементах формирование неоднородного поля напряжений происходит по сложному закону даже при простом росте нагрузки, что объясняется ранними неупругими деформациями сжатого бетона. Неупругие деформации обладают свойством изменять начальную прочность и жесткость бетона. В общих случаях поля прочности и жесткости бетона гипотетически зависят от истории нагружения, однако в большинстве реальных конструкций эта зависимость не существенна.
Снижение прочности бетона становится опасным при смене направления и знака неупругих деформаций и достаточно существенной их величине. Эта ситуация часто возникает в сложных монолитных зданиях типа АЭС и ГЭС (особенно при поэтапном их возведении, когда скачкообразно меняется расчетная схема), поэтому решение данной проблемы чрезвычайно актуально.
В то же время в литературе и в СНиП 11-21-75 отсутствуют рекомендации по обеспечению прочности сложнонагружаемого бетона. Например, нет критерия оценки прочности на растяжение бетона, предварительно сжатого до уровня RПР, хотя известно, что его прочность существенно снижается по сравнению с RР.
Ниже предлагается принцип подхода к решению этой проблемы на основе анализа процесса роста начальных микротрещин в бетоне, что является причиной снижения прочности. Снижения прочности бетона от воздействия сложных неупругих деформаций можно избежать, если грамотно ограничить их величину. Для этого необходимо исследовать сущность природы пластических деформаций бетона на микроуровне.
В ряде работ по механике разрушения показано, что неупругость, прочность и разрушение полухрупких материалов определяются развитием начальных микротрещин.
Пластичность бетона будем трактовать как интегральное проявление устойчивого роста множества начальных острых микротрещин. Тот факт, что пластичность является проявлением микроразрушений (т.е. псевдопластичностью), уже был отмечен. Однако природа этого явления объяснялась не ростом начальных микротрещин. Предполагалось, что микротрещины не могут расти устойчиво, так как критерий потери устойчивости трещин противоречит факту их статического существования и не может объяснить явления их медленного докритического роста. Однако, учитывая факторы тормозящие развитие трещин, можно дать следующее обоснование причин устойчивого роста докритических и сжатых критических трещин.
Причиной начала роста острых микротрещин является разрыв межатомных связей, когда с ростом нагрузки пики растягивающих напряжений в остриях трещин превосходят прочность этих связей. Дальнейшее развитие трещин может происходить устойчиво (т. е. при кратковременной монотонно нарастающей нагрузке) только вследствие их постоянного торможения. Основными факторами, тормозящими рост трещин в бетоне, являются его множественные микронеоднородности.
Причиной торможения роста докритических микротрещин в полухрупких материалах является также развитие дислокационных микропластических деформаций перед фронтом трещин. Это вызывает появление защитных полей самонапряжения, снижающих уровень напряжений перед фронтом трещин. С ростом нагрузки и размеров трещин эти тормозящие эффекты становятся недостаточными, начинается неустойчивый рост трещин. При растяжении это почти сразу приводит к разрушению. Однако в поле сжатия трещины, становясь критическими, начинают ветвиться и постепенно затормаживаются вследствие их вынужденного поворота в энергетически наиболее выгодном направлении роста – вдоль оси сжатия, когда пиковые растягивающие напряжения в их вершинах падают до нуля. Следовательно, в поле сжатия взрывной рост трещин не опасен.
Предлагается следующая концепция пластичности сжатого бетона. Его макропластичность качественно отличается от дислокационной пластичности металлов и является интегральным результатом устойчивого роста начальных острых микротрещин, которые с ростом нагрузки начинают развиваться без трения как докритические, а затем и тормозящиеся в поле сжатия критические трещины отрыва.
В процессе нагружения бетон проходит три стадии деформирования. До начала роста микротрещин имеет место 1-я (упругая) стадия, рост докритических трещин проявляется в виде 2-й упругопластической стадии. Рост затормаживающихся критических трещин внешне проявляется в 3-й стадии устойчивой пластичности бетона. Эта последняя переходит в стадию неустойчивой пластичности, когда трещины растут уже при падающей нагрузке, и заканчивается разрушением по схемам.
Указанные стадии наиболее четко выражены для случая одноосного сжатия. Они разграничены напряжениями RT0 ≈ 0,4RПР и RTV ≈ 0,8RПР известными как 1-я и 2-я константы фазовых состояний О. Я. Берга. До уровня сжатия σС = RT0 бетон при кратковременном нагружении ведёт себя практически упруго, поэтому константу RT0 можно считать пределом псевдоупругости сжатого бетона σУС.
С уровня напряжений σС > σУС начинаются неупругие деформации бетона. Одновременно его уплотнение сменяется разуплотнением и начинается рост объёма (дилатация). Эти явления можно объяснить только началом устойчивого роста наиболее опасных микротрещин, лежащих в плоскостях, наклонных под углом (π/6 … π/4) к оси сжатия. Внешне это проявляется как упругопластическая стадия деформирования бетона.
При напряжении σС = RTV резко возрастает доля пластических деформаций и начинается интенсивная дилатация, поэтому величину RTV можно условно назвать пределом псевдопластичности сжатого бетона σПС, который отвечает моменту превращения докритических микротрещин в критические и началу существенных макропластиктеских деформаций бетона. Интервал напряжений σПС < σС < RПР характеризуется устойчивыми пластическими деформациями, растущими почти без упругих деформаций.
Следует отметить, что развитие микротрещин в бетоне на всех стадиях происходит преимущественно в ослабленной по ряду причин зоне контакта крупного заполнителя с растворной частью, и именно микроразрушения в этой зоне определяют пластические и прочностные свойства материала.
При одноосном растяжении 2-я стадия весьма слабо выражена, а 3-я практически почти отсутствует. Поэтому предел псевдопластичности при растяжении очень близок к пределу прочности 0,9–0,95RР. Величина предела псевдоупругости при растяжении требует экспериментального уточнения. В запас прочности можно принять 0,7RР.
На основе ряда известных из экспериментов свойств бетона было дано подробное обоснование изложенной концепции его пластичности. В частности, показано, что образованию трещин отрыва вдоль оси сжатия при нулевых растягивающих напряжениях, резная разница между прочностью и деформативностью бетона при растяжении и сжатии, рост деформативности при всестороннем сжатии удовлетворительно объясняются только устойчивым ростом начальных микротрещин.
Для решения поставленной выше задачи об оценке прочности сложнонагружаемого бетона сформулируем закономерности распределения начальных микротрещин в сложном поле напряжений. В материале со случайно размещенными микротрещинами в первую очередь начинают развиваться трещины. При отсутствии растяжения критические трещины развиваются в плоскостях ортогональных. Иначе говоря, растут те из них, края которых испытывают либо наибольшие раздвигающие, либо наименьшие сближающие усилия.
Эти закономерности позволяют дать интерпретацию всех характерных участков условия прочности бетона, объяснить резкое нарастание прочности при всестороннем сжатии и её падении при комбинациях сжатия с растяжением. Они же дают возможность объяснить процесс снижения прочности бетона при сложном нагружении.
На каждом этапе сложного нагружения развиваются трещины одного, наиболее опасного направления. В отличие от однородного материала в бетоне, направление развития трещин помимо вида поля напряжений определяется еще размещением и формой крупного заполнителя. Именно по его контуру в ослабленной контактной зоне начинают развиваться трещины.
Прочность бетона снижается в процессе сложного нагружения, если к концу цикла происходит существенное развитие трещин в контактной зоне. Это возможно только в 3-й пластической стадии, когда трещины становятся критическими и, приобретая маневренность, способны двигаться но контуру крупного заполнителя.
Итак, сложное (однократное) нагружение в бетоне не снижает его прочности при условии, что на всех этапах цикла напряженное состояние не нарушает условия его пластичности. Это подтверждено экспериментально для случая, когда предварительное одноосное сжатие сменяется ортогональным растяжением.
Многократное повторно-переменное нагружение не опасно, если оно не вызывает прогрессирующего с каждым циклом подрастания микротрещин. Это возможно только в 1-й упругой стадии работы бетона, когда микротрещины приспосабливаются к циклической нагрузке с помощью локальных защитных микрополей самонапряжений в их вершинах.
При длительных нагружениях снижение прочности бетона также является следствием прогрессирующего со временем роста микротрещин, что внешне проявляется в нелинейной доле деформаций ползучести и вызвано в основном коррозией и первичной (линейной) ползучестью. Нелинейная ползучесть и падение прочности приостанавливаются‚ если уровень напряжений не нарушает условия пластичности бетона.
Выводы
- При кратковременном нагружении бетон до разрушения проходит три стадии деформирования — упругую (без роста микротрещин); упругопластическую (во время роста докритических микротрещин) и пластическую (во время роста тормозящихся критических микротрещин). По уровню напряженности эти стадии разграничены поверхностями упругости, пластичности и прочности. Согласно концепции, эти поверхности подобны и описываются соответственно условиями упругости, пластичности и прочности материала. Первые два условия получаются из условий прочности заменой RПР и RР соответственно на пределы псевдоупругости и пределы псевдопластичности.
- При сложном однократном кратковременном нагружении, а также при длительном нагружении начальная прочность бетона не снижается, если в процессе загружения напряженное состояние не нарушает условий пластичности бетона. Тем самым оказывается ограниченным уровень роста начальных микротрещин.
- При многократном повторно-переменном кратковременном и длительном загружении начальная прочность бетона не снижается, если напряженное состояние при этом не нарушает условия упругости бетона. Этим исключается подрастание начальных микротрещин.