Особенности тепломассообмена и напряженного состояния в массивных бетонных сооружениях

УДК 624. 012. 45

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В МАССИВНЫХ БЕТОННЫХ СООРУЖЕНИЯХ

Б. И. Пинус, Е. И. Кудрявцев

Приведены экспериментальные данные о распределении температур в стенке плотины при изменении температуры наружного воздуха в осенне-зимний период. Выдвинута гипотеза о сегрегационном механизме морозной деструкции массивных бетонных сооружений.

Ключевые слова: бетонные массивные конструкции, морозная деструкция, механизм разрушения.

PECULIARITIES OF HEAT AND MASS EXCHANGE AND THE STATE OF STRESS IN

SOLID CONCRETE CONSTRUCTIONS

B.I. Pinus, E.I. Kudryavtsev

Experimental data are submitted in connection with the distribution of temperatures in a dam wall as a result of outer air temperature changes in the period of autumn-winter. A hypothesis has been suggested concerning the segregation mechanism of frost caused destructing solid constructions of concrete.

Key words:solid constructions of concrete, frost caused destructions, mechanism of destruction.

Постановка вопроса. Морозно-климатическое разрушение бетона (железобетона) -это объективно установленные последствия их взаимодействия с окружающей средой в регионах сурового, резко континентального климата. Кинетика этого процесса зависит как от показателей морозоустойчивости бетона (структуры, степени водонасыщения), так и от величины, характера и частости температурных воздействий. При прочих равных условиях, определяющим фактором внутреннего напряженного состояния в этих условиях является неравномерность и нестабильность температурных полей в теле конструкции (сооружения).

Во всесторонне и односторонне охлаждаемых элементах небольшой массивности запаздыванием температурной стабилизации материала на изменение температуры воздуха можно пренебречь, что позволяет идентифицировать температуру конструкции тождественно климатическим параметрам.

В массивных конструкциях и сооружениях (плотины, опоры мостов, подпорные стенки и др.) влияние тепловой инерции существенно больше, что предполагает неаддитивность изменения внутренних температурных полей колебаниям температур окружающей среды и специфические условия внутреннего напряженного состояния.

Методика исследований. Ниже приводятся и анализируются данные кратковременных (30 дней) наблюдений за изменением температур по сечению южно-ориентированной стенки верхнего бьефа бетонной плотины Иркутской ГЭС. Время (ноябрь), ориентация поверхности и условия влажностного состояния (периодическое обводнение) априори являются показательными исходя из целей настоящего исследования, так как рассматриваемый период характеризуется большой динамикой суточных температурных перепадов с ощутимой частотой знакопеременных значений. Датчики автоматического контроля темпера-

тур были установлены на границе уровня водного бьефа и позволили измерять температуру воды, воздуха и бетона (на поверхности и глубине 200...400 мм).

Основные результаты исследований и их анализ. На рис. 1 представлены данные непосредственных измерений, а на рис. 2 - расчетные амплитуды суточных перепадов температур воздуха и бетона на различных расстояниях от внешней поверхности.

Не вызывает сомнений существенная нетождественность изменения температур воздуха и бетона. На этапе замораживание запаздывание температуры бетонного массива достигает 8-10 °С и происходит с временной задержкой около 1,5-2 часов. Существенно больше (12-15 °С) различие температур на стадии прогрева воздуха и бетона солнечной радиацией.

Наблюдаемый гистерезис ведет к увеличению частости и амплитуды суточных перепадов температур на поверхности бетона, а также неравномерности распределения температурных полей по сечению конструкции, и, как следствие, появлению новых механизмов теплообмена в бетоне массивных сооружений.

Рис. 1. Графики изменение температуры в ноябре 2008 г.: 1 - наружного воздуха; 2 - поверхности бетона; 3 - бетона на глубине 200 мм; 4 - бетона на глубине 400 мм; 5 - воды

Анализ современных научно-теоретических представлений о морозной деструкции бетона позволяет предполагать вероятность развития ее различных механизмов в зависимости от термодинамической специфики его взаимодействия с окружающей средой. Наиболее приемлемой из них для рассматриваемых массивных систем является гипотеза о развитии внутриструктурного давления вследствие образования и накопления «сегрегационного» льда (гипотеза Р. Коллинза).

1 - наружного воздуха; 2 - поверхности бетона; 3 - бетона на глубине 200 мм;

4 - бетона на глубине 400 мм

Имеются экспериментальные данные [1], подтверждающие возможность образования сегрегационного льда в охлаждаемых «открытых», с термодинамической точки зрения, системах. К подобным системам может быть отнесена и бетонная массивная конструкция, как располагающая потенциальной возможностью тепломассообмена с воздушно увлажненной окружающей средой. Экспериментально доказано [2], что в структуре бетона, подвергаемого низкотемпературным и влажностным воздействиям, происходят процессы сублимации - аблимации влаги, образование структурно-защемленных кристаллов льда.

Нетрудно заметить, что рост кристаллов «сегрегационного» льда может происходить преимущественно по капиллярно-пленочному механизму, и, следовательно, представляет собой длительный временной процесс [3]. При этом движении влаги направлено в сторону образующихся при промораживании поверхностей льда. Учитывая неравномерность замораживания воды в бетоне и нетождественность фронта льдообразования продвижению изотермы нуля, наиболее вероятно движение влаги из мелких (содержащих переохлажденную влагу) пор и капилляров в сторону более крупных.

Определяющими факторами развития такого процесса является скорость охлаждения и соотношение показателей пластичности льда и прочности скелета пор бетона. При быстром охлаждении сегрегация льда менее вероятна из-за возможности «захвата» и блокировки льда в мелких порах. Установленное выше замедление промораживания бетона массивных сооружений исключает (существенно снижает) вероятность блокировки мелких пор и способствует накоплению сегрегационного льда в слоях, примыкающих к охлажденным поверхностям.

Что касается ограничений, связанных с прочностными параметрами льда и бетона (стенок пор), то прямые измерения напряжений внутри замерзающего бетона [3] показали, что их величина колеблется в диапазоне 0,4-2,2 МПа при температурах до минус 20 °С, то есть напряжения в структуре соизмеримы с прочностью бетона на разрыв и значительно

выше упругости льда. Отсутствие пластичности льда в подобных условиях объяснимо наличием всестороннего сжатия из-за обратного давления скелета бетона.

Выводы. Динамика изменения температурных полей в бетонах массивных сооружений при циклических знакопеременных воздействиях позволяет считать гипотезу сегрегационного кристаллизационного давления наиболее вероятным процессом морозной деструкции. Характер наблюдаемых дефектов и повреждений (поверхностное шелушение, отслоение, раковины) подтверждают эти предположения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Иванов Н.С. Тепло- и массоперенос в замерзающих горных породах. М. : Наука, 1963. 240 с.

2. Пинус Б.И., Курилов В.И. Повышение надежности железобетонных конструкций в условиях агрессивности среды эксплуатации. Иркутск, 1977. 158 с.

3. Попкович Г.Е. и др. Исследование внутренних напряжений в бетоне при замораживании // Бетон и железобетон, 1970. № 1. С. 13-14.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительные конструкции», Иркутский государственный технический университет, тел.: (3952) 40-54-67; e-mail:pinus@istu.edu.

Кудрявцев Евгений Игоревич, главный инженер, ООО «Предприятие «Иркут-Инвест», г. Иркутск

Pinus B.I., Doctor of Technical Sciences, professor, Head of "Civil Engineering Constructions", Irkutsk State Technical University, tel.: (3952) 40-54-67, e-mail:pinus@istu.edu

Kudryavtsev E.I., Head Engineer of the Limited Liability Company of "Enterprise "Irkut Invest", Irkutsk

УДК 624. 012. 45

ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К ОЦЕНКЕ АГРЕССИВНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПО ОТНОШЕНИЮ

К БЕТОНУ

Б.И. Пинус, Ж.Н. Пинус

Предложена модель и инженерно-приемлемое решение обобщения низкотемпературного воздействия климата на кинетику физического износа бетона и железобетонных конструкций. Реализация предложения позволит осуществлять целевое проектирование конструкций на заданный срок эксплуатации в суровых условиях.

Ключевые слова: бетон, климатические температуры, деструкция.