Экспериментальное исследование сопротивления бетона ледовой абразии

УДК 624.145:624.92.001.2 © А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников,

А.Э. Фарафонов, Р.С. Тютрин, 2014

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ БЕТОНА ЛЕДОВОЙ АБРАЗИИ

Эксплуатация бетонных оснований гравитационного типа (БОГТ) на шельфе ледовитых морей с высокой динамикой дрейфа ледяного покрова сопряжена с рядом проблем. Одной из них является абразивный износ бетона конструкции, что вызывает опасность оголения арматуры и ускоренную коррозию в морской среде, потерю толщины и прочности конструктивных элементов. В настоящее время отсутствует какая-либо обоснованная теория расчета интенсивности ледовой абразии, и как следствие отсутствуют требования, предъявляемые к бетону при его эксплуатации в ледовитых морях. Поэтому в ледовой лаборатории компании «Гидротекс» проводились испытания на ледовую абразию, основной целью которых является разработка эмпирической модели ледовой абразии, и на ее базе расчет ожидаемой ежегодной абразии материала конструкции.

Ключевые слова: абразия, ледовая нагрузка, лаборатория, ледяной покров.

ВВЕДЕНИЕ

Ледяной покров оказывает значительное истирающее воздействие на поверхность морских инженерных сооружений. Несущая способность конструкции, определяемая прочностными характеристиками материалов, существенно зависит от наличия необратимых деформаций и накопления повреждений от действующей ледовой нагрузки. В районах с высокой динамичностью дрейфа ледяного покрова одной из важнейших проблем является определение интенсивности износа конструкции от истирания дрейфующим льдом.

Величина ледовой абразии зависит от большого количества факторов, основными из которых являются: контактное давление, длина пути истирании и сопротивление материала ледовой абразии [4, 5, 6].

Для определения контактного давления и длины пути истирания необходимо иметь математический аппарат расчета ледовой нагрузки [1, 2, 3]. Длина пути истирания определяется про-

цессами дрейфа ледяных образований и их взаимодействием с опорой сооружения. В настоящее время теоретические модели сопротивления материалов ледовой абразии отсутствуют. Экспериментальные исследования различных материалов на сопротивление ледовой абразии позволяют установить эмпирическую зависимость интенсивности ледовой абразии. Расчет ледовой абразии должен учитывать и воздействие льда на сооружение, и сопротивление материала ледовой абразии. Совместное использование теоретической модели взаимодействия [1, 2, 3] и эмпирической модели разрушения материала позволяет создать методику расчета глубины ледовой абразии.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Основной целью лабораторных испытаний на абразию является испытание образцов бетона и разработка эмпирической модели ледовой абразии и на ее базе расчет ожидаемой ежегодной абразии материала конструкции.

Для проведения исследований используется абразионная установка и ледовая лаборатория, которая позволяет получить лед с характеристиками, близкими к натурным.

Установка для исследования ледовой абразии была разработана и изготовлена в компании «Гидротекс» под руководством проф. Беккера А.Т.

Разработанная установка отвечает следующим техническим условиям (табл. 1).

Общий вид и основной состав конструкции установки показан на рис. 1.

Таблица 1

Технические условия установки для исследования ледовой абразии

Амплитуда горизонтального перемещения 2000 мм

Амплитуда вертикального перемещения 700 мм

Скорость горизонтального перемещения (регулируемая) 0,2+1,0+0,2 м/с

Скорость вертикального перемещения при позиционировании 1,0+5,0 мм/с

Усилие прижима образца 1,0+10,0 кН

1 3

(--8 ь ? 1Р ! ) -/А-/Р^ № й

1 V /

Об © Н 1| И Й Г ЧИП 1 г и\ " © ©ч

Рис. 2. Дополнительная охлаждающая установка: 1 — пульт управления холодильной установкой; 2 — контроллер температурных датчиков; 3 — температурные датчики; 4 — масляная станция установки для абразии; 5 — внешний блок холодильной установки; 6 — внутренний блок холодильной установки

Для поддержания температуры во время испытаний на заданном уровне вокруг установки устроен короб, обшитый теплоизоляцией. Короб предотвращает перемешивание воздуха вокруг установки. Кроме этого, в короб установлена дополнительная хо-

лодильная установка, которая обеспечивает понижение температуры до -20 °С (рис. 2).

В процессе абразии контролируется:

— температура льда, двумя датчиками, установленными в образце льда;

— температура воздуха в коробе;

— сила прижима образца к ледяному блоку с помощью датчика силы.

Лаборатория представлена двумя рефрижераторными контейнерами: основным и вспомогательным. Основной контейнер разделен перегородками на три зоны: 1-зона заморозки льда, 2-зона испытаний на абразию, 3-моторный отсек установки. В зоне заморозки льда расположены формы для заморозки льда. В зоне испытаний расположена установка для испытаний на абразию, а также, располагаются ледяные блоки, уже готовые к испытаниям. Во вспомогательной зоне находится оборудование для обеспечения работы испытательной установки

Вспомогательный контейнер также разделен перегородками на три зоны: 1 - зона предварительного охлаждения воздуха, 2 -зона водоподготовки, 3 - зона шлифовки образцов и вспомогательного оборудования. В зоне водоподготовки расположены баки с водой (морской, пресной и 2 бака с водой заданной солености). В зоне шлифовки образцов и вспомогательного оборудования расположена установка для шлифовки образцов и стеллажи со вспомогательным оборудованием.

Загс ри длпд<пд ам кия) ада

Рис. 3 Ледовая лаборатория

Рис. 4. Установка для изме- Рис. 5. Положение измеряемых точек и на-рения поверхности образца правление хода измерений

Установка для измерения поверхности образца. Установка состоит из неподвижной базы, прикрепленных к ней двух подвижных столов, штатива и микрометра (рис. 4).

Общий порядок оценки абразии. На бетонный образец предварительно наносят маркировку, шлифуют выбранную для истирания поверхность и снимают фаску по краю образца. Поверхность одной из граней бетонного образца измеряется с помощью установки. После измерения образец подвергается истиранию, а затем вторично измеряется для оценки величины истирания в 168 точках (рис. 5) (погрешность измерений составляет 0,05 мм).

Программа испытаний Испытанию подвергались образцы бетона разных составов Shaft mix и Ice zone mix.

Образцы бетона испытывались на абразию при различных условиях (см. табл. 1). Для каждого сочетания температуры и контактного давления испытывалось по два образца. Полный 3-факторный эксперимент для данных сочетаний включал 9 опытов для каждой серии 9x2=18. Перед опытом образцы подвергались заданному количесту циклов замораживания-оттаивания.

Результаты измерений Основными параметрами, контролируемыми в процессе испытаний бетонных образцов на абразию, являются: контактное давление, температура льда и температура воздуха, глубина истирания, путь истирания (путь относительного перемещения при взаимодействии бетонного образца и ледяного блока

Таблица 1

3-х факторный эксперимент

Число циклов замораживания-оттаивания

12

Давление, MPa

0,5 1,5 3,0

T -5 °C 2 2 2

-10 °C 2 2 2

-20 °C 2 2 2

за время испытания). Данные параметры представлены в виде числовых рядов наблюдений, которые для дальнейшего анализа подвергаются предварительной обработке.

По результатам измерений строилась поверхность истертой грани образца при помощи программы SURFER (рис. 6).

Поскольку истиранию подвергалась не вся поверхность образца, для оценки износа выделяется характерная область на поверхности размером 20*30мм (рис. 7, рис. 8). Данный размер характерной области позволяет оценить степень износа образца при истирании, поскольку полностью размещается на истираемой поверхности. При назначении области для оценки истирания учитывалась возможность скола образца по краю. При этом характерная область при длительных испытаниях и значительной абсолютной

Рис. 6 Пример результата абразии поверхности бетонного образца

абразии принималась по центру образца. В случае небольшой абразии, данная область смещалась в сторону области с большей абразией, не захватывая крайний ряд для исключения краевого эффекта.

4 3.5

2.5

2

1.5 1

0.5 0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Рис. 7. Площадка измерений для образца бетона

6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2

1.5 1

0.5 0

0.115

0.1

0.085

0.07

0.055

0.04

0.025

0.01

0.00

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Рис. 8. Площадка измерений для образца бетона

6

5.5 6

5.5 6

0.035 0.030 0.025

ÉÏ.D20

;

6.015 o.o in 0.005

0.000 0.000

R1 * 0.5913

\ » г* ♦

V. ♦

-,-1-

10.000 20.000

30.000 40.000

I/o (*ÖMPa|

Empirical abrasion model

-0.96

5'vr = 0,06661 '

Рис. 9 Abrasion rate vs correlation temperature/pressure for IZ

Empirical abrasion model

S'mer = 0,0954

Рис. 10 Abrasion rate vs correlation temperature/pressure for Shaft Mix

Эмпирическая модель абразии для ледовой зоны бетонного основания гравитационного типа

После обработки результатов испытаний отдельных образцов в программе Statistical 8.0 были полечены эмпирические зависимости интенсивности ледовой абразии (рис. 9, рис. 10). Результаты эксперимента носят коммерческий характер, поэтому не публикуются в полном объеме.

ВЫВОДЫ

Проблема сопротивления материалов ледовой абразии находится в стадии изучения, и явления, которые происходят в зоне контакта «лед-сооружение», не изучены и достаточно трудно моделируются в лабораторных условиях. К этим условиям можно отнести: влияние водной среды на параметры льда в зоне контакта при скольжении льда относительно поверхности сооружения, распределение и изменчивость сил трения на контакте, изменчивость шероховатости бетонной поверхности по мере износа и ее влияние на интенсивность абразии, влияние обледенения бетонной поверхности на контактное трение и абразию, влияние загрязненности ледяного покрова, влияние распределения свойств льда по толщине ледяного покрова (прочности, структуры и др.) и т. п. Поэтому закономерности, полученные одной группой исследователей в лаборатории, могут существенно отличаться от других.

Учитывая, что проведенные исследования находятся только на первой стадии, необходимо тщательно проанализировать технологию проведения лабораторных испытаний и при необходимости внести соответствующие коррективы.

В этом отношении важно разработать критерий для оценки законченности испытаний каждого образца. Для надежной оценки степени абразии в каждом испытании необходимо получать представительные значения абразии поверхности грани образца по глубине и по площади. Здесь могут быть различные подходы, но очевидно, что необходима оптимизация степени абразии и времени испытаний.

Полученные результаты и эмпирические модели могут быть использованы вместе с другими моделями для предварительной оценки надежности бетонных оснований гравитационного типа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bekker, AT, Uvarova, TE, Pomnikov, EE (2010). «The Registration of Temperature during Calculation of the Ice Abrasion», Proc. of The Ninth (2010) ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, PAC0MS-2010, Busan, Korea, November 14-14, pp. 226-230.

2. Bekker, AT, Uvarova, TE, Kim, SD (2004). «Numerical Simulation of the Process of Interaction between Drifting Ice Fields and Structure Support», Proc. The Sixth (2004) ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, Vladivostok, Russia, September 12-16, pp. 123-128

3. Bekker, AT (2007). «Problems of the Ice Cover Abrading Action on Legs of Concrete Offshore Structures», Workshop on Iœ Abrasion Concrete Structures, Helsingfors, October 26-25.

4. Itoh, Y, Tanaka, Y, Delgado, A, and Saeki, H (1995). «Abrasion Mode of a Circular Cylindrical Concrete Structure Due to Sea Ice Movement», Proc. Of the 5th Int. Offshore and Polar Eng. Conference, Hague, Netherlands, June 11-16, pp. 381-388.

5. Itoh, Y, Tanaka, Y, and Saeki, H (1994). «Estimation Method for Abrasion of Concrete Structures Due to Sea Ice Movement», Proc. of 4th Int. Offshore and Polar Eng. Conference, Osaka, Japan, pp. 545-552.

6. Saeki, H, Takeuchi, T, Yoshida, A, Asai, Y, and Suenaga, EL (1987). «Abrasion Test for Concrete Due to Sea Ice», Proc. of Port and Ocean Eng. under Arctic Conditions (POAC) Conference, Alaska.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Беккер Александр Тевьевич, доктор технических наук, профессор, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, e-mail: bekker.at@dvfu.ru

Уварова Татьяна Эриковна, кандидат технических наук, доцент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, e-mail: uvarova.tye@dvfu.ru

Помников Егор Евгеньевич, кандидат технических наук, зав. лаборатории ледовых исследований МНОЦ «Арктика» Инженерной школы ДВФУ, e-mail: pomnikov.ee@dvfu.ru

Фарафонов Александр Эдуардович, кандидат технических наук, доцент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, e-mail: farafonov.aye@dvfu.ru

Тютрин Роман Сергеевич, аспирант, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, e-mail: tyutrin.rs@dvfu.ru Анохин Павел Викторович, научный сотрудник лаборатории ледовых исследований МНОЦ «Арктика» Инженерной школы ДВФУ, e-mail: Pavel-2008-78@mail.ru

UDC 624.145:624.92.001.2

EXPERIMENTAL STUDY OF CONCRETE RESISTANCE TO ICE ABRASION

Alexander T. Bekker, Doc., professor, Offshore and structural mechanics department, Engineering school, FEFU, e-mail: bekker.at@dvfu.ru

Tatyana E. Uvarova, PhD, associate prof., Offshore and structural mechanics department, Engineering school, FEFU, e-mail: uvarova.tye@dvfu.ru

Egor E. Pomnikov, PhD, Head of Ice Laboratory ISEC "Arctic", Engineering school, FEFU, email: pomnikov.ee@dvfu.ru

Alexander E. Farafonov, PhD, associate prof., Offshore and structural mechanics department, Engineering school, FEFU, e-mail: farafonov.aye@dvfu.ru

Roman S. Tyutrin, post graduate student, Offshore and structural mechanics department, Engineering school, FEFU, e-mail: tyutrin.rs@dvfu.ru

Pavel V. Anokhin, researcher of Ice Laboratory ISEC "Arctic", Engineering school, FEFU, email: Pavel-2008-78@mail.ru

Operation of concrete bases of gravitational type (CGBS) on a shelf of arctic seas with highly dynamical drift of an ice cover is interfaced to a set of problems. One of them is abrasion of the concrete structure followed by the hazard of outcrop of reinforcement and accelerated corrosion in marine environment, loss of width and strength of structural components. Now there is no reasonable theory of calculation of the ice abrasion intensity, and consequently there are no requirements to concrete applied in conditions of the Arctic seas. That is why the ice laboratory and the experimental unit were created on the basis of Hydrotex Co., Ltd in order to study the intensity of ice abrasion of materials.

Key words: abrasion, ice load, the laboratory, the ice cover.