УДК 624.012.44 : 625.84
С.Й. Солодкий
Національний університет „Львівська політехніка”
кафедра автомобільних шляхів
ПРОПОЗИЦІЇ ЩОДО РОЗРАХУНКУ ЖОРСТКИХ ДОРОЖНІХ ОДЯГІВ З УРАХУВАННЯМ КРИТЕРІЇВ МЕХАНІКИ РУЙНУВАННЯ БЕТОНУ
© С.Й. Солодкий
Проаналізовано стан питання з розрахунку бетонних конструкцій за критеріями механіки руйнування. Висунуто пропозиції щодо розрахунку жорстких дорожніх одягів з урахуванням фактору часу, в’язкості руйнування та енергетичного критерію руйнування бетону.
This article deals with the suggestions for design of concrete road pavements according to criteria of fracture mechanics. In order to carry out the effective application of new materials and their durability prediction it is necessary to estimate the fracture toughness characteristics from the point of view and taking into account the criteria of time and fracture mechanics.
Вступ. Прогрес у використанні досягнень бетонознавства на сучасному етапі значною мірою пов’язується з розвитком уявлень в галузі механіки руйнування бетону. Завдання цього напрямку досліджень полягає в формулюванні найбільш загальних критеріїв опору бетону, як при гранично високій механічній дії (міцність), так і при комплексній дії внутрішніх і зовнішніх напружень сумісно з факторами довкілля протягом всього терміну експлуатації матеріалу (довговічність). Для вирішення даного завдання необхідно здійснити перехід від міцнісної до кінетичної концепції руйнування, в основу якої покладені інваріантні константи цементного каменю і бетону – в’язкість руйнування (критичні коефіцієнти інтенсивності напружень) та енергія руйнування [1]. Ці силові та енергетичні критерії дозволяють оцінити кінетику розвитку тріщин при силових і несилових впливах до критичного рівня, тобто визначити довговічність бетонної конструкції.
Постановка проблеми. Розрахунок монолітних бетонних покриттів згідно ВБН В.2.3-218-008 [2] полягає у порівнянні розрахункової міцності бетону на розтяг при згині з максимальним напруженням, що виникає в дорожній плиті на пружній основі від дії навантаження і перепаду температур по товщині плити. Розрахункова міцність бетону дорівнює значенню класу міцності бетону на розтяг при згині з урахуванням двох емпіричних коефіцієнтів – втоми бетону і умов набору міцності.
Розрахунок за граничним станом міцності на розтяг при згині розглядає дорожню плиту під час її роботи тільки в двох станах: вихідному і зруйнованому. Руйнуванням бетонної плити вважають момент сприйняття нею навантаження, що відповідає максимальній несучій здатності. Проте після настання такого моменту бетонна плита здатна опиратися меншому за величиною зовнішньому навантаженню. Повне руйнувавння на фрагменти може наступити при навантаженні, значно меншому, ніж максимальне, внаслідок досягнення тріщинами своїх критичних значень. Тому недостатньо розглядати тільки два стани дорожньої плити: генерація тріщин відбувається в часі і є кінетичним процесом. Цей процес можна охаректеризувати як деградацію бетону, що закінчується його руйнуванням, коли відбувається лавиноподібне нестійке збільшення параметрів макротріщин на критичній стадії деформування.
З огляду на це, на нашу думку, необхідно при розрахунку жорстких дорожніх одягів враховувати фактор часу і критерії механіки руйнування бетону. Особливої актуальності це завдання набуває при впровадженні бетонів на нових видах цементів, зокрема, модифікованих.
Аналіз останніх досліджень. На сьогоднішній день запропоновано методики розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій, які використовують характеристики тріщиностійкості бетонів, отримані методами механіки руйнування. Наприклад, розрахунок довговічності бетону за узагальненим концентраційним критерієм з урахуванням факторів часу і температури Гузеєва Є.А.і співробітників[10] грунтується на гіпотезі про структурні капілярно-порові дефекти, як тріщини, в вершинах яких виникають максимально високі напруження внаслідок зміни зовнішніх впливів. Розрахунок бетонних і залізобетонних елементів при згині за методикою К.О. Парадова [3], масивних гідротехнічних бетонних споруд за методикою Л.П. Трапезнікова [4], залізобетонних мостів – Р.А. Мамахонова [5], розрахунок нормальних січень залізобетонних елементів з використанням енергетичних критеріїв – С.М. Леоновича [ 6] вимагають знання силових – КIc і КIIc. та енергетичних характеристик тріщиностійкості, а також їх нормування залежно від класу міцності бетону.
Леоновичем С.М. [6] запропоновано нормування критичного коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) залежно від класу міцності бетону для трьох категорій довговічності – А (25-50 років), В (50-65 років), С (65-75 років). Ознаками вичерпності границі довговічності бетону і бетонних елементів за часовими категоріями А, В, С є значення критичного КІН, нижчі за внормовані значення.
В нормах ЕКБ [11] зроблено спробу класифікувати бетони за енергією руйнування. Ця класифікація побудована для діапазонів строго внормованої міцності бетону і пов’язана з одним параметром структури бетону – максимальним розміром крупного заповнювача.. В межах одного класу бетону за міцністю існує декілька його класів за тріщиностійкістю. Їх кількість залежить від різноматних технологічних факторів, фізико-механічних характеристик компонентів бетонної суміші, особливостей капілярно-порової структури бетону тощо. Ступінь впливу цих факторів на тріщиностійкість бетону при силових і несилових діяннях різний, що є складною невирішеною проблемою.
Зайцев Ю.В.припускає, що міцність бетону не повинна бути параметром для розрахунку характеристик тріщиностійкості [7,8]. Кожному класу бетону за міцністю повинно відповідати щонайменше три класи за в’язкістю руйнування (тріщиностійкістю). Бетон певної міцності може бути високої, середньої і низької тріщиностійкості. Інтегральний показник, що поєднує міцність і тріщиностійкість бетону, на думку Зайцева Ю.В., повинен бути характеристикою якості бетону.
Мета роботи. Метою роботи є формулювання нових підходів до розрахунку жорстких дорожніх одягів, які враховують фактор часу і критерії механіки руйнування.
Результати досліджень та їх обговорення.
З огляду на вищенаведені положення довговічність бетонних конструкцій необхідно оцінювати на стадіях проектування і виготовлення залежно від умов експлуатації з різноманітними силовими, тепловологісними і корозійними впливами.
ДБН В.2.3. – 4 – 2000 «Автомобільні дороги» пропонує для капітальних жорстких дорожніх одягів приймати перспективний (розрахунковий) період експлуатації не менше 25 років. Закордонний і вітчизняний досвід будівництва цементобетонних покриттів, а також досягнутий прогрес в технології монолітного бетонування дозволяє пролонгувати цей період до 35-40 і більше років. Тому, на нашу думку, при влаштуванні цементобетонних покриттів при його прогнозованій довговічності 30-35 років повинен застосовуватися бетон високого класу тріщиностійкості, при довговічності 25-30 років – середнього, 20-25 років – пониженого.
Основним критерієм при підборі складу бетону на даний час є міцність. Вважається, що правильно підібраний склад бетону за міцністю при дотриманні системи певних обмежень за витратою цементу, води, об’ємному вмісту піску і щебеню забезпечує нормативний термін безвідмовної експлуатації конструкції.
Проведені нами дослідження [9] показали залежність характеристик тріщиностійкості бетонів від рецептурно-технологічних факторів в межах приблизно рівної міцності, а саме: виду цементу, коефіцієнту розсунення зерен крупного заповнювача, умов тверднення бетону тощо. Це дає підстави прийняти при нормуванні підхід, сформульований Зайцевим Ю.В.
Оскільки, дорожня плита працює в умовах згинальних навантажень, вочевидь, необхідно пов’язати характеристики тріщиностійкості бетону з його класом міцності на розтяг при згині. Нами досліджено бетони в діапазоні міцностей на розтяг при згині 7,5- 8,0 МПа і на стиск – 39,5 - 66,5 Мпа [9]. Тому пропозиції щодо нормування висунуті для бетонів класів міцності Btb 5,6 і 6,0.і наведені в табл.1.
Таблиця 1
Нормативні характеристики тріщиностійкості бетонів
№
з/п
Клас бетону за міцністю на розтяг при згині, Btb
Середня міцність бетону, МПа
Найближча марка бетону за міцністю,
Рtb
Нормативні характеристики тріщиностійкості





критичний КІН, КIc, МПа/м1/2
джей-інтеграл,
Дж/м2





висо-
кий клас
серед
ній
клас
пони-
жен.
клас
висо-
кий клас
серед
ній
клас
пони-
женй
клас

1
5,6
7,34
75
0,79-0,82
0,76-
0,79
0,73-0,76
35-40
30-35
25-30

2
6,0
7,86
80
0,82-0,86
0,79-0,82
0,76-
0,79
40-45
35-40
30-35


Розробка і впровадження рекомендацій з підбору складу бетону за характеристиками тріщиностійкості, які враховують види впливів при експлуатації конструкції, дозволить за рахунок спрямованого формування структури отримувати бетони з заданими властивостями, що відповідають умовам їх експлуатації. Це, в свою чергу, дасть поштовх для розробки методів розрахунку конструкцій за критеріями механіки руйнування з урахуванням фактору часу.
Згідно сучасних уявлень визначальний вплив на несучу здатність дорожніх плит при зг