Исследование истирания бетона сооружений континентального шельфа

5/2011 ВЕСТНИК

.МГСУ

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТИРАНИЯ БЕТОНА СООРУЖЕНИИ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА

RESEARCH ABRASIVE ACTION BY ICE ON CONCRETE OF OFFSHORE CONSTRUCTIONS

C.A. Вершинин, Н.Д. Зуев, H.B. Шунько

S.A. Vershinin, N.D. Zuev, N.V. Shunko

ГОУ ВПО МГСУ, ОНИЛ МНГС

Строительство сооружений шельфа в регионах замерзающих морей с интенсивной динамикой дрейфа ледяного покрова поставило ряд новых задач в проблеме истирания льдом конструкций. В статье исследуется процесс истирающего воздействия бетона льдом, представленырезультаты лабораторных экспериментов.

The construction of offshore facilities in freezing sea areas with high ice cover drift dynamics brought up a number of new issues associated with ice abrasion. In article researches abrasive action of ice on concrete, presented the results of laboratory experiments.

Одним из широко применяемых на практике элементов конструкционных материалов для защиты сооружений континентального шельфа от истирающего воздействия ледовых образований, являются бетонные конструкции прочностью от 50 до 80 МПа.

Исследованию процесса истирания льдом конструкционных материалов в лабораторных и натурных условиях посвящен ряд работ, выполненных как за рубежом в Финляндии, Японии, Канаде и США, так и в России [1, 2, 3, 4, S, б, 7].

Большой разброс данных по истирающему воздействию льда не позволяет сформулировать единый подход к оценке величины износа сооружения, и на сегодняшний день имеются лишь отдельные рекомендации по данным исследований различных авторов.

Данная работа является начальным этапом комплексных исследований явления истирания и состоит в изучении истирающего воздействия образцов бетона абразивным материалом в лабораторных условиях. В ближайшей перспективе в научно-исследовательской лаборатории ОНИЛ МНГС МГСУ планируется выполнение экспериментальных исследований по определению истирания бетона ледовыми плитами.

Исследования по истиранию бетонных образцов выполнены в рамках научно-исследовательской работы по Договору с ОАО «Газпром» № 1540-0730-10-9 (в МГСУ ЗК.002/10).

Скорость истирающего воздействия образца бетона во времени определяется скоростью диссипации энергии при динамическом воздействии и преодолении сил трения. Скорость диссипации энергии при истирании бетонного образца с заданной скоростью скольжения, линейно зависит от прижимного усилия - N и коэффициента трения - f Интенсивность изнашивания (истирания) образца - I на единицу длины пути и

I =

скорости в инженерных приложениях связана с величиной прижимного усилия - N и твердостью материала - ^уравнением Арчада [2]: N_

Н '

где К < 1 - коэффициент износа материала.

Экспериментально установлено, что коэффициент износа является постоянной величиной в стадии стационарного процесса истирания.

Поскольку скорость истирающего воздействия образца пропорциональна скорости диссипации энергии, получим для скорости истирания на единицу длины пути выражение:

^сЛ.г,

dx Н

где ii - величина уменьшения толщины образца.

Таким образом, появляется необходимость в процессе исследования истирания бетона абразивным материалом, найти опытным путем коэффициент износа - К.

Экспериментальные исследования проведены на абразивной установке «Böhme», (стандарт DIN 52108), в соответствии с требованиями ГОСТ 3647-80. На рис. 1 представлен внешний вид установки. Приемное устройство для бетонного образца размером 70x70x70 мм находится на расстоянии 22 см от центра истирающего диска. На образец бетона по центру через специальное лифтовое устройство прикладывается внешняя сосредоточенная нагрузка величиной 60 кПа. Скорость вращения диска составляет: 0,5 обор/с., что соответствует скорости движения образца - 0,7 м/с.

Рис. 1. Общий вид установки «Böhme»

Следуя указаниям ГОСТ 3647-80, экспериментальные исследования истираемости образца бетона состояли из 4 циклов, в зависимости от испытания различных граней образца (всего 4 грани), выставляемых по направлению движения истирающего диска.

Один цикл исследований включал в себя следующий порядок действий. Шлиф-зерно (использовался карбид кремния (SiC) № 16 в количестве 20 г) наносилось равномерным слоем по окружности чистого истирающего диска установки по пути перемещения образца бетона. Затем следовало включение установки с запуском вращения истирающего диска. Достигнув 22 оборотов, диск останавливался, за это время образец проходил 30 м пути истирающего воздействия. После тщательной очистки диска

установки от бетонной крошки и остатков шлифзерна, рассмотренные действия повторялись еще 5 раз и образец проходил, в общей сложности, 150 м пути.

За все четыре цикла опытов, образец проходил 600 м пути истирающего воздействия.

В дополнение к стандартным испытаниям по ГОСТ 3647-80, были выполнены исследования, с выставлением одной грани бетонного образца по направлению истирающего воздействия и общий путь истирания, в этом случае, составлял: 600 м (30 м х 20).

По результатам экспериментальных исследований, были получены следующие данные:

- скорость истирания образца № 1 (2,5 г/см3), составила: 0,66 г/см2 за 600 м пути или 4,4 мм/км (рис. 2);

6 5 4 3 2 1 0

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Рис. 2. Изменение скорости истирания бетонного образца № 1 при постоянном направлении истирания

- скорость истирания образца № 2 (2,43 г/см3), составила: 0,80 г/см2 за 600 м пути или 5,5 мм/км (рис. 3);

8 7

обр2

♦ ♦

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Рис. 3. Изменение скорости истирания бетонного образца № 2 при постоянном направлении истирания

- скорость истирания образца № 3 (2,52 г/см3), составила: 0,59 г/см2 за 600 м пути или 3,9 мм/км (рис. 4);

У1э1,мм/км обрЗ

" У^ Д

4---4-—

2--

1--

0 _Ь,км

и Л-1-1-1-1--'-

0 и,1 0,2 0,4 0,4 0,5 0,6

Рис. 4. Изменение скорости истирания бетонного образца № 3 при постоянном направлении истирания

- скорость истирания образца № 4 (2,46 г/см3), составила: 0,62 г/см2 за 600 м пути или 4,2 мм/км (рис. 5);

6 5,5 5 4,5 4 4,5 4

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Рис. 5. Изменение скорости истирания бетонного образца № 4 при постоянном направлении истирания

- скорость истирания образца № 5 (2,48 г/см3), составила: 0,73 г/см2 за 600 м пути или 4,9 мм/км (рис. 5);

5,5 -

5 -

4,5 -

4 -

4,5 -4 -

2,5 -

2 -

0 0,1 0,2 0,4 0,4 0,5 0,6

Рис. 6. Изменение скорости истирания бетонного образца № 5 при постоянном направлении истирания

Vist,мм/км обрЗ

Уу

-1-1-1-г-

Цкм

- скорость истирания образца № 6 (2,5 г/см3), составила: 0,57 г/см2 за 600 м пути или 3,8 мм/км (рис. 7).

7

6

5

4

3

2

1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Рис. 7. Изменение скорости истирания бетонного образца № 6 при постоянном направлении истирания

Измерения значений коэффициентов трения бетонных образцов проводились в тех же условиях, что и основная серия экспериментов (рис. 8). На равномерно распределенном по диску истирания шлифзерне, устанавливался бетонный образец, который с помощью устройства крепления соединялся с динамометром, закрепленным на боковой стенке экспериментальной установки. Применявшийся в опытах динамометр рассчитан на измерения нагрузок до 800 Н с погрешностью, не превышающей 0,5%. Коэффициент трения измерялся в момент движения диска истирания при нагружении образца присоединенной массой: 5, 10, 14 и 24 кг.

Рис. 8. Измерение коэффициента трения бетонных образцов

0

Результаты измеренных значений коэффициентов трения исследуемых образцов бетона, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Образец бетона Коэффициент трения, f

№1и№ 2 0,196

№3и№ 4 0,199

№5и№ 6 0,235

В таблице 2 приведены полученные в опытах значения коэффициента износа бетонных образцов - К.

Таблица 2

Образец бетона Коэффициент износа, К

№ 1 0,022

№2 0,027

№3 0,02

№4 0,021

№5 0,02

№6 0,015

Таким образом, в ходе экспериментальных исследований, получены значения скорости истирания шести бетонных образцов по абразивному материалу карбид кремния (SiC) № 16, измерены коэффициенты трения и на основании полученных опытных данных рассчитаны достоверные значения коэффициента истираемости бетона.

Литература

1. Вершинин С.А., Трусков П.А., Кузмичев К.В. Воздействие льда на сооружения Сахалинского шельфа. М. Институт Гипростроймост. 2005 г. -208 стр.

2. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. М., Физматгиз, 2007г., 367 стр.

3. Hara F., Saeki H., Sato M., Takahashi Y. and Tachibana H. Prediction of the degree of abrasion of bridge piers by fresh water ice and the protective measures. Proc. of Intern. Conf. On Concrete under Severe Conditions, CONSEC '95 Sapporo, Japan, vol. 1, pp. 485-494.

4. Houvinen S. Abrasion of Concrete by ice in Arctic Sea Structures.VTT Publications 62, Es-poo,1990, pp.110.

5. Janson J.E. et al. Impact of ice on Swedish Offshore Lighthouses. Main Report, vol.1, 1984.

6. Janson J.E. Field Investigation of ice Impact on Lightweight Aggregate Concrete. Report №1, Test Arrangements. Result from the Winter Season. 1986-1987, 1987.

7. Newhook J.P. and McGinn D.J. Ice Abrasion Assessment - Piers of Confederation Bridge. Confederation Bridge Engineering Summit. Charlottetown, PEI. - Canada,2007, August 19-22.

The literature

1. Vershinin S.A., Truskov P.A., Kuzmitchev K.V. Ice Impacts on the Sakhalin Offshore Platforms, - Moscow: Institute Giprostroymost, 2005 - 208 p.

2. Myshkin N.K., Petrokovets M.I., Friction, Lubrication and Abrasion. Principal Physics and Technical Application of Tribology. - M.: Fizmatlit, 2007. - p. 367.

5/2011 ВЕСТНИК

_МГСУ

3. Hara F., Saeki H., Sato M., Takahashi Y. and Tachibana H. Prediction of the degree of abrasion of bridge piers by fresh water ice and the protective measures. Proc. of Intern. Conf. On Concrete under Severe Conditions, CONSEC '95 Sapporo, Japan, vol. 1, pp. 485-494.

4. Houvinen S. Abrasion of Concrete by ice in Arctic Sea Structures.VTT Publications 62, Es-poo,1990, pp.110.

5. Janson J.E. et al. Impact of ice on Swedish Offshore Lighthouses. Main Report, vol.1, 1984.

6. Janson J.E. Field Investigation of ice Impact on Lightweight Aggregate Concrete. Report №1, Test Arrangements. Result from the Winter Season. 1986-1987, 1987.

7. Newhook J.P. and McGinn D.J. Ice Abrasion Assessment - Piers of Confederation Bridge. Confederation Bridge Engineering Summit. Charlottetown, PEI. - Canada,2007, August 19-22.

Ключевые слова: истирающее воздействие льда, образец бетона, износостойкость, скорость диссипации энергии, коэффициент трения, коэффициент износа, интенсивность истирания, прижимноеусилие, твердость материала, скорость истирания.

Key words: abrasive action of ice, concrete sample, abrasion resistance, rate of energy dissipation, friction coefficient, abrasion coefficient, abrasion intensity, pressure value, hardness of material, abrasion rate.

Почтовый адрес авторов: 141006, Московская область, г. Мытищи,

Олимпийский проспект, д. 50. Телефон/факсавторов: 586-81-02; 8-906-757-18-41; 8-905-514-73-85. e-mail авторов: svershinin@rambler.ru; nd43zuev@vandex.ru; natshunko@rambler.ru.

Рецензент: д.т.н., проф. Ю.П. Правдивец