Изменение конструктивных свойств бетонов при охлаждении и замораживании

Библиографический список

1. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод: учеб. для вузов. М.: Изд-во АСВ, 2006. 704 с.

2. Кульков В.Н., Зеленин А.М., Сосна В.М. Определение концентрации свободно плавающего активного ила в биореакторе // ВодаMegazine. 2012. № 3 (55). С. 18-20.

3. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю., Сосна В.М. Применение механической регенерации синтетической загрузки в биореакторе // Вестник МГСУ. М.: Изд-во МИСИ - МГСУ, 2013. № 7. С.131-139.

4. Пат. № 2078738, РФ, OT2F3/34 OT2F3/12. Способ подавления бактериального нитчатого вспухания активного ила /

Н.С. Жмур, О.М. Лапшин; заявитель и патентообладатель Н.С. Жмур, О.М. Лапшин. № 94028293/13; заявл. 27.07.94; опубл. 12.05.97.

5. Первых И.А., Зеленин А.М., Сосна В.М. Физическое моделирование газогидродинамической обстановки в аэротенке вытеснителе // Вестник ИрГТУ. 2013. № 7 (79). С. 89-92.

6. Солопанов Е.Ю., Сосна В.М., Зеленин А.М. Интенсификация биологической очистки сточных вод в аэротенке с инертной ершовой загрузкой: тр. МНПК «Земля, вода, климат Сибири и Арктики в XXI веке - проблемы и решения» (Тюмень, 21 марта 2014 г.). Тюмень, 2014. С. 166-169.

УДК 691-4

ИЗМЕНЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СВОЙСТВ БЕТОНОВ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ И ЗАМОРАЖИВАНИИ

© Б.И. Пинус1, Ж.Н. Пинус2, И.В. Хомякова3

1,3Иркутский государственный технический университет, 6640074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Представлены данные экспериментальных исследований изменения прочности, деформаций и энергии разрушения при сжатии бетона класса В25 в процессе его ступенчатого охлаждения в диапазоне температур от +20 до -60°С. Дано статистическое обоснование численных значений нормируемых параметров бетонов в различных термовлажностных условиях.

Ключевые слова: бетон; замораживание; прочность; деформации; температура.

CHANGE IN CONCRETE STRUCTURAL PROPERTIES UNDER COOLING AND FREEZING B.I. Pinus, Zh.N. Pinus, I.V. Khomyakova

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper introduces the data of experimental studies of changes in strength, deformations and fracture energy under the compression of V25 class concrete during its stepwise cooling in the temperature range from +20ГС to -60ГС. It also provides a statistical justification of the numerical values of concrete normalized parameters under different thermal and moisture conditions.

Keywords: concrete; freezing; strength; deformations; temperature.

Постановка вопроса

Эксплуатация бетонных и железобетонных конструкций в суровых климатических условиях объективно сопряжена с их охлаждением, длительным и циклическим замораживанием и, как следствие, работой бетона при различных температурно-влажностных условиях. Отметим, что существующий технический регламент проектирования бетонных и железобетонных конструкций не предусматривает при этом дополнительных расчетно-конструктивных процедур, кроме использования бетонов повышенной морозостойкости. Очевидно, предполагается, что возникновение внут-

реннего напряженного состояния конструкции при охлаждении и замораживании компенсировано соответствующим изменением прочностных и деформа-тивных свойств бетона.

Между тем, имеются экспериментальные данные [1], указывающие на неоднозначность и нетождественность динамики прочности и деформативности бетона при колебаниях температуры в пределах положительных и отрицательных значений. Эти различия особо значимы в статистических оценках распределения параметров этих свойств [2] и существенно зависят от влагосодержания бетонов.

1Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций, тел.: (3952) 405137, e-mail: pinus@istu.edu

Pinus Boris, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Building Structures, tel.: (3952) 405137, e-mail: pinus@istu.edu

2Пинус Жаннетта Наумовна, преподаватель, тел.: (3952) 230579. Pinus Zhannetta, Lecturer, tel.: (3952) 23/05/79

3Хомякова Ирина Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций тел.: (3952) 405137. Khomyakovа Irina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, tel : (3952) 405137

Если учесть, что существующая система нормирования конструктивных свойств бетонов однозначно регламентирована только их классом, то отмеченное выше предопределяет целесообразность и актуальность исследования статистических закономерностей изменения всех значимых параметров механических свойств бетонов при охлаждении, замораживании и в криогенном состоянии.

Предмет и метод исследования

Анализ результатов многочисленных исследований работы бетонов под нагрузкой позволяет считать, что в отсутствие апробированной теории прочности и аппроксимирующих аналитических моделей экспериментальные зависимости оь-еь являются вполне приемлемой интегральной оценкой их конструктивных свойств. Ее достоверность существенно зависит от методики испытаний и, в первую очередь, динамики нагружения и способа измерения деформаций.

Как правило, нагружение производится непрерывно с постоянной скоростью (0,3-0,5 МПа/с), а замер деформаций - на срединных участках опытных образцов с помощью датчиков, тензометров, мессур и т.п. Первое из них исключает возможность учесть объективно существующее различие деформирования упруго-пластического материала (бетона) на возрастающих уровнях напряжений, а второе - ограничивает точность объемной реакции образца на осредняемые значения внутренних усилий.

В совокупности это ведет к:

/ фактическому неучету начального (вогнутого!) участка диаграммы сжатия, наиболее чувствительного к структурным особенностям (изменениям) бетона;

/ занижению потенциала сжимаемости бетона, определяющего условия совместности его работы с арматурой;

/ невозможности получения участка нисходящей ветви диаграммы о-е, характеризующего ресурс сопротивления бетона в условиях стесненного деформирования;

/ увеличенному разбросу экспериментальных данных и другим издержкам.

Вышеупомянутые факторы и наличие соответствующего оборудования предопределили целесообразность проведения исследований с оценкой изменений конструктивных свойств охлаждаемых бетонов по диаграммам о-е, получаемых при непрерывном загружении образцов с постоянной скоростью деформирования и автоматической записью деформаций на полной базе.

Проведены механические испытания кубических (ребро 100 мм) и призматических (50*50*200 мм) образцов бетона проектного класса В25. Состав бетона (кг/м3) характеризуется следующими данными:

- портландцемент М400-490;

- песок, модуль крупности 2,3-546;

- щебень известняковый (фракции 2,5-10 мм) -1029;

- вода - 262 кг;

- пластифицирующая добавка ЛСТ - 0,98.

Образцы нормальных условий твердения в возрасте 124-152 суток были разделены на две группы

(по 100 шт.) с:

а) естественной влажностью 1,6% - серия «С»;

б) установившейся после 2-х суточного водона-сыщения влажностью 3,7% - серия «W».

Отметим, что влагосодержание водонасыщенных образцов составляло около 70% от критического (по В.М. Москвину [3]) значения.

Механические испытания образцов проводили после их охлаждения (замораживания) до проектного уровня со скоростью понижения температуры 10°С/ч и выдержкой ее в течение 4-х часов. Нагружение осуществлялось непрерывно с постоянной скоростью деформирования 0,05 мм/мин, которая позволяла получать адекватную реакцию структуры бетона на заданный уровень силового воздействия и практически исключить влияние изменения температуры образцов за время испытания.

Используемое оборудование (универсальная машина ИТS 250) позволяло вести в автоматическом режиме запись диаграммы as, цифровые значения усилий, перемещений, энергии разрушения и времени испытаний. Преобразованные в формат Microsoft Excel, они были использованы при статистическом обобщении опытных данных и численном моделировании изменения значимых параметров эксплуатационной пригодности железобетонных элементов в сопоставимых температурно-влажностных условиях. Основные результаты испытаний Принятый режим испытаний позволял получать полные диаграммы сжатия, включая «участок начального уплотнения» (по О.Я. Бергу [4]) и нисходящую ветвь деформирования бетонов после достижения максимума нагружения. Выборочные экспериментальные семейства диаграмм as при различных темпера-турно-влажностных состояниях представлены на рисунке. Их общий вид, очертания и количественные показатели наглядно свидетельствуют о существенных изменениях значимых (в том числе и нормируемых!) параметров механических свойств бетонов при фазовых переходах жидкой фазы в лед и ее перераспределении в процессе охлаждения и промерзания. Интегрально это проявляется:

/ в возрастании длины участка начального уплотнения (опережающего роста деформаций);

/ в сокращении протяженности нисходящей ветви деформаций, свидетельствующем о повышении вероятности хрупкого разрушения;

/ в снижении кинетики изменений прочности и деформативности при охлаждении ниже минус 40°С;

/ в изменении плотности распределения (рассеивания) кривых, косвенно свидетельствующих о случайной природе происходящих процессов, их зависимости от структуры, влагосодержания, условий деформирования и других факторов.

Последнее обстоятельство предопределяет целесообразность анализа наблюдаемых закономерностей с использованием значимых критериев математической статистики. Ниже (табл. 1, 2) приведены результаты статистической обработки экспериментальных данных в предположении их нормального распреде-

ления. Из них следует, что понижение температуры и последующее замораживание сопровождается ростом всех нормируемых показателей конструктивных свойств бетонов. Причем, это происходит и до наступ-

ления фазовых переходов поровой влаги и, очевидно, связано с внутриструктурным перераспределением влаги.

Относительные деформации

а)

Относительные деформации, б)

Относительные деформации, Е * т иии Относительные деформации ,

д) е)

Диаграммы оь-£ь для бетонов серий «С» (а, в, д) и <М» (б, г, е), полученные при температурах + 20°С (а, б), - 40С

(в, г) и - 60 С (д, е)_

Таблица 1

Изменение прочности бетона при охлаждении и замораживании

Статистика распределения Динамика изменения прочности по:

Серия Температура, °С Среднее значение, Rb, МПа Дисперсия, МПа2 Изменчивость v, % Интервал ожидаемых значений*, МПа средним значениям минимально ожидаемым

+ 20 25,2 12,6 14,1 19,4-31,0 1 1

0 27,6 21,0 16,6 20,1-35,1 1,09 1,04

С -20 28,7 19,5 15,4 21,5-36,0 1,14 1,11

-40 33,6 24,4 14,7 25,5-41,7 1,33 1,31

-60 47,2 63,9 17,0 34,0-60,3 1,87 1,75

+ 20 20,6 8,7 14,4 15,7-25,4 1 1

0 28,1 10,8 11,7 22,8-33,5 1,36 1,45

W -20 44,3 13,7 8,3 38,3-50,4 2,15 2,44

-40 61,8 60,3 12,6 49,0-74,6 3,00 3,12

-60 68,9 69,6 12,1 55,3-82,5 3,34 3,52

* с 95% обеспеченностью и нормальном распределении

Таблица 2

Изменение деформаций бетона (s*b1) при охлаждении и замораживании

Статистика распределения Динамика изменения деформаций по:

Серия Температура, °С Среднее значение, eb1 х 103 МПа Дисперсия, D£ х 106 Изменчивость v, % Интервал * 95 % обеспеченности, eb1 х 103 средним значениям минимально ожидаемым

+ 20 4,5 0,36 13,3 3,52-5,48 1 1

0 5,17 0,30 10,6 4,27-6,07 1,15 1,21

С -20 5,40 0,96 18,1 3,80-7,01 1,20 1,08

-40 5,88 0,89 16,0 4,33-7,43 1,31 1,23

-60 7,37 0,92 13,0 5,80-8,95 1,64 1,65

+ 20 3,57 0,15 10,8 2,94-4,2 1 1

0 5,01 0,15 7,8 4,37-5,64 1,40 1,48

W -20 7,26 0,52 9,9 6,08-8,44 2,03 2,07

-40 8,62 0,69 9,6 7,26-9,98 2,41 2,47

-60 8,98 0,65 9,1 7,27-10,7 2,49 2,47

* деформации бетона при максимуме загружения

Динамика увеличения прочности и деформатив-ности зависит от влагосодержания бетонов и существенно выше у бетонов второй серии. При этом практическая стабильность удельных eb1/ab деформаций свидетельствует о тождественности их изменения вплоть до достижения максимума нагружения. Однако на этапах падения нагрузки (нисходящая ветвь диаграмм a-e) наблюдается устойчивое снижение способности охлаждаемого влагонасыщенного бетона к псевдопластическому деформированию и, как следствие, к перераспределению усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях и в стесненных условиях.

Что касается статистик распределения исследуемых параметров, то можно отметить практическую идентичность динамики изменения средних и вероятностных (с 95% обеспеченностью) значений и относительную стабильность коэффициента вариации, особенно во влагонасыщенных образцах.

Полученные экспериментальные данные позво-

ляют дать и обобщенную оценку влияния структурной модификации охлаждаемого и замораживаемого бетона на его механические свойства.

В качестве такого интегрального показателя принята энергия разрушения, численно оцениваемая площадью диаграммы сжатия. При этом, учитывая качественную трансформацию деформирования бетона в различном температурно-влажностном состоянии, рассматриваются (табл. 3) как средние значения полных затрат (А02), так и их составляющие на восходящих (А01) и нисходящих (А12) участках нагружения. Несомненно, охлаждение бетона вплоть до минус 60°С сопровождается непрерывным (но не монотонным!) возрастанием потенциала его сопротивления сжатию. Причем, это происходит и до начала льдообразования в структуре бетона. Максимум прироста зависит от влагосодержания, дифференциальной пористости и наблюдается при температурах минус 40-60°С.

Таблица 3

Энергия разрушения бетонов различного уровня охлаждения (МПахм)_

Серия Обозначения Площадь диаграмм as при температуре бетона (°С) Примечание

+ 20 0 - 20 - 40 - 60

С А01 61,5 72,9 83,1 97,3 188,6 А01 - площадь диаграммы о-е в диапазоне деформирования 0 - £ы А02 - то же в диапазоне деформаций 0 - гЬ2 (с учетом нисходящих ветвей) А12 - то же в диапазоне еЬ1 - гЬ2

А02 87,2 88,4 122,4 150,8 242,9

А12 25,7 15,5 34,3 53,4 54,3

W А01 42,0 77,7 183,5 292,7 312,8

А02 68,4 132,5 240,2 326,1 329,4

А12 26,4 54,8 56,7 33,4 16,5

Принципиальное значение, на наш взгляд, имеет не только факт повышения энергии диссипаций, но и определение, за счет каких компонентов деформирования это происходит. В наиболее обобщенном виде полная энергия разрушения связана с преодолением сопротивления бетона, проявляющегося в виде упругого, пластического и псевдопластического деформирования. С допустимой погрешностью энергия упруго-пластического сопротивления (А01) может быть оценена площадью на восходящем, а псевдопластического - на нисходящем участках диаграммы о-е. Нетрудно видеть, что прирост энергии диссипации при охлаждении происходит за счет повышения способности бетона к упруго-пластическому деформированию. Доля энергии, затрачиваемой на развитие микро - и макро-трещинообразование, неуклонно снижается и при температуре минус 60°С составляет у влагонасыщен-ных образцов менее 5%.

Основные выводы

1. Охлаждение и замораживание бетона сопровождаются существенными изменениями его конструктивных свойств, которые проявляются в трансформации характера деформирования, увеличении прочности и деформаций. В сопоставимых условиях их кинетика предопределяется влагосодержанием бетона.

2. Оценку последствий происходящих процессов, целесообразно производить раздельно по показателям прочности и деформативности или интегрально по расчетной величине энергии диссипации.

3. Установленное снижение способности замораживаемых бетонов к пластическому и псевдопластическому деформированию необходимо учитывать при проектировании статически неопределимых железобетонных конструкций и элементов, работающих в условиях стесненного деформирования.

Статья поступила 02.12.2014 г.

Библиографический список

1. Пинус Б.И. Обеспечение долговечности железобетонных конструкций при низкотемпературных воздействиях: дис. ... д-ра техн. наук: 0523.17. М., 1987. 392 с.

2. Пинус Б.И., Хомякова И.В. К вопросу оценки надежности железобетонных конструкций // European Applied sciences, Stuttgart, Germany. 2012. № 1 Р. 320-323.

3. Москвин В.М. О расчетах морозостойкости бетона // Бетон и железобетон. 1986. № 7. С. 7-8.

4. Берг О.Я. О предельном состоянии железобетонных конструкций по долговечности бетона // Бетон и железобетон. 1961. № 11. С. 12-13.