Актуальные, на данный момент, способы определения призменной прочности бетона основываются на методике, прочность на сжатие по которой определяется по истечении 28 сут. Но как видно из исследовательской практики, прочность бетона ко времени эксплуатации может довольно сильно отличаться от прочности заданной маркой, высчитанной по стандартной методике. И более того, во время эксплуатации на железобетонные конструкции воздействуют разнообразные внешние эксплуатационные факторы (температурные воздействия, механические нагрузки).

Исходя из вышеизложенного, представляет интерес исследовать прочностные характеристики мелкозернистых бетонов с позиции термофлуктуационной концепции, согласно которой необходимо время, в течение которого в нагруженном теле протекают процессы, приводящие его к разрушению. Согласно кинетической концепции, долговечность при разрушении и деформации связана с рядом физических констант материала.

Физические константы находятся графоаналитически из перестроенных зависимостей «напряжение – время до разрушения» в полулогарифмических координатах.

Кроме того, данная концепция позволяет прогнозировать долговечность материалов в широком диапазоне основных эксплуатационных параметров.

Были проведены длительные испытания мелкозернистого бетона при разрушении поперечным изгибом. Опытные образцы имели форму призмы размером 20х20х120 мм.

В качестве вяжущего использовали бездобавочный портландцемент М400 (производства Волгоградской обл.). Образцы твердели в открытых формах при комнатной температуре и атмосферной влажности в течение 50 сут. Испытания проводили в режиме заданных постоянных нагрузок и температур, фиксируя долговечность. Зависимости долговечности мелкозернистого бетона от прикладываемого напряжения при вариации температуры строили в полулогарифмических координатах (см. рисунок). Полученные результаты рассматривали с позиций кинетической концепции разрушения твердых тел.

Из рисунка видно, что в исследованном интервале напряжений для долговечности можно выделить две характерные области, в пределах которых данные зависимости имеют линейный характер: I — область критических напряжений (соответствующая интервалу напряжений в пределах 0,9…1 от разрушающей нагрузки), II — зона докритических напряжений (соответствующая меньшим уровням нагрузки). Причем для области I зависимости образуют семейство веерообразных прямых, сходящихся в точку (полюс).

Такой характер зависимостей, по-видимому, связан с особенностями работы бетона под нагрузкой: в области высоких напряжений (область I) материал проявляет упругие свойства, при нагрузках меньше критических (область II) происходит частичное перераспределение напряжений за счет сжатой зоны сечения образца. При этом возможны рекомбинации межмолекулярных связей, препятствующие развитию магистральной трещины в теле бетона.

Аналогичный вид зависимостей был получен при испытаниях мелкозернистых бетонов с другими составами: В/Ц=0,4; Ц/П=1:2,4 и В/Ц=0,5; Ц/П=1:З,5. Составы подбирали, исходя из оптимального расплыва конуса и удобоукладываемости.

По экспериментальным данным графоаналитическим способом нашли значения эмпирических и физических констант мелкозернистого бетона различных составов при испытаниях на поперечный изгиб, которые приведены в таблице.

Поскольку в зоне критических напряжений прямые сходятся в «обратный пучок», то полюс находится в зоне отрицательных температур.

Из таблицы видно, что в зоне критических напряжений U0 и τm падают с изменением В/Ц и Ц/П, γ постоянна, а Tm — растет. Такое поведение констант позволяет прогнозировать долговечность бетона в этой зоне при изменении В/Ц и Ц/П. В зоне докритических напряжений U и β изменяются экстремально, при этом максимальное значение U/β имеет место при В/Ц=0,4, Ц/П=1/2,4, т. е. при таком составе бетон наиболее долговечен.

Состав компо­зицииВ зоне крити­ческих напря­женийВ зоне докрити­ческих напря­жений
U0TmτmγUβ
В/Ц=0,3
Ц/П=1/1,2
-59,06 114,94 9,62 87,01 77,74 76,18
В/Ц=0,4
Ц/П=1/2,4
-29,55 115,74 8,07 87,27 141,5 82,3
В/Ц=0,5
Ц/П=1/3,5
-3,74 135,3 4,62 86,27 133,28 81,83

Установленные закономерности разрушения мелкозернистых бетонов различного состава и рассчитанные по экспериментальным результатам величины физических и эмпирических констант позволяют прогнозировать их долговечность в широком диапазоне основных эксплуатационных параметров (нагрузки и температуры).