Исследование механизма образования трещин в строительных материалах

По данным различных исследователей растущий кристалл льда может развить давление от 0,1 до 0,7 кгс/см2. Несмотря на это, разрушению подвергаются целый ряд   строительных конструкций с достаточно прочными материалами. Этому в значительной мере способствует концентрация напряжений, вызываемая трещинами.

Интенсивность роста микротрещин зависит от свойств материала, так как эти свойства определяют интенсивность концентрации напряжений в устьях трещины, модель которой представляет собой вытянутый эллипс, и в идеальной среде может быть вычислена по известной формуле (рис. 20)


Рис. 20 Модель трещины и односторонней вытачки, в основу которых положен эллипс с полуосями а и b:
- радиус основания вытачки; - размер элементарной частицы, ограничивающей физический радиус устья модели трещины; t- глубина вытачки; М - оставшееся сечение конструкции; р - гидростатическое давление жидкости, напряжение в ослабленном сечении конструкции; - максимальное напряжение

 


где К - коэффициент концентрации напряжения;
- напряжение в материале;
- максимальное напряжение в устье трещины;
а - малая полуось эллипса;
b- большая полуось эллипса.
Эта формула не дает полного совпадения вычисленной величины напряжения в устье трещины с величиной, определенной на основании экспериментальных данных, так как на значение коэффициента концентрации, влияют различные факторы.
Например, структура бетона имеет малую чувствительность к надрезам и трещинам, которую можно выразить следующим отношением:

где j - коэффициент чувствительности к надрезам и трещинам; - максимальное действительное напряжение; - максимальное теоретически вычисленное напряжение; - напряжение в материале вне зоны концентрации напряжения; Кэ - фактический коэффициент концентрации напряжений; К - то же, вычисленный по формуле.
Из вышеприведенного отношения определяется  фактическое значение

 


Материал, нечувствительный к трещинам, имеет значение K = 1, а для материала с высокой чувствительностью К3=К. Неравномерное распределение напряжений в массиве может вызвать образование трещин в отдельных зернах или кристаллах, однако в материале, малочувствительном к надрезам и трещинам, их образование мало сказывается на распределении напряжений по всему массиву.

Все рассмотренное выше дает возможность сделать выводы о механизме разрушения увлажненных кирпича и бетона при многократном замораживании. В бетоне есть целый ряд дефектов, которые интенсивно развиваются при многократном замораживании воды. Объемный рост дефектов, представляющий собой пустоты и разрывы, происходит по закону, который может быть выражен следующей формулой:

 


где Vk - конечный объем трещины после п циклов замораживаний;

п - количество циклов оттаивания и замораживания;

Vо - начальный объем пустоты или трещины;

к - коэффициент, учитывающий релаксацию деформаций, а также неполное развитие деформаций в связи с некоторой фильтрацией жидкости, находящейся под действием увеличивающегося объема замерзающей воды;

Л - весовая часть замерзшей воды; 0,09 - коэффициент, отражающий увеличение объема воды при замерзании.

Развитие трещин и пустот приводит к увеличению концентрации напряжений в устье трещины, достигающих своего максимального значения, равного 10-15, чем создается предпосылка для дальнейшего разрушения структуры кристаллизационным давлением воды (рис. 21).


Рис. 21 Разрушение каменной породы кристаллизационным давлением льда в период кратковременных понижений температуры наружного воздуха

Наличие структурных дефектов в глиняном кирпиче пластической формовки в виде трещин (свилей), которые возникают при формовке, низкая прочность материала глиняного кирпича полусухого прессования при растяжении, а также высокая микропористость способствуют внезапному разрушению конструкции на морозе при насыщении материала водой при кратковременном или частичном оттаивании конструкции.