CC BY
9
Оригинальная статья
УДК 502/504:626.82.691.11
DOI: 10.26897/1997-6011-2022-2-63-68
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ И РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ УСАДОЧНЫМИ ШВАМИ БЕТОННЫХ ОБЛИЦОВОК ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КАНАЛОВ
ЖАРНИЦКИЙ ВАЛЕРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ1 д-р техн. наук, профессор
zharnitskiy@mail.ru
СМИРНОВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ\ канд. техн. наук, доцент
sxodnyasmirnov@mail.ru
АНДРЕЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ2 канд. техн. наук, доцент
andreev-rf@mail.ru
1 Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К. А. Тимирязева; 127434, г. Москва, Тимирязевская ул., 49, Россия 2РАНХиГС. Институт государственной службы и управления; 119571, г. Москва, пр-кт Вернадского, 82, стр. 1, офис 3329, Россия
Оценка предрасположенности бетона к трещинообразованию с последующими изменениями объема и характера пор, а также капиллярных ходов, деформационных и прочностных свойств материала (особенно деформаций растяжения и прочности на разрыв) является основным показателем, по которому можно спрогнозировать стойкость и долговечность облицовок водохозяйственных каналов. С помощью регулирования технологических факторов можно значительно понизить интенсивность влажностной усадки, что в свою очередь позволяет достичь повышения показателей эксплуатационной надежности и долговечности бетонных облицовок. Основной причиной проявления усадочных трещин в бетоне является превышение в определенный момент непроявившихся усадочных деформаций, в результате которых образуются растягивающие напряжения в материале при стесненной усадке, предельной растяжимости бетона. Качественное прогнозирование потенциальной стойкости и долговечности облицовок водохозяйственных каналов возможно при проведении оценки предрасположенности бетона к трещинообразованию с последующими изменениями объема, характера пор и капиллярных ходов, деформационных и прочностных свойств материала облицовки.
Ключевые слова: бетонные облицовки, агрессия внешней среды, растрескивание бетона, усадка бетона, трещиностойкость бетона, прочностные свойства, силы сцепления, растягивающие усилия
Формат цитирования: Жарницкий В.Я., Смирнов П.А., Андреев Е.В. Экспериментально-теоретическое обоснование метода оценки трещиностойкости и расстояния между усадочными швами бетонных облицовок водохозяйственных каналов // Природообустройство. - 2022. - № 2. - С. 63-68. DOI: 10.26897/1997-6011-2022-2-63-68.
© Жарницкий В.Я., Смирнов П.А., Андреев Е.В., 2022
Original article
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL SUBSTANTIATION OF THE METHOD FOR ASSESSING CRACK RESISTANCE AND DISTANCE BETWEEN SHRINK JOINTS OF CONCRETE LININGS OF WATER MANAGEMENT CANALS
ZHARNITSKIY VALERY YAKOVLEVICH1H, doctor of technical sciences, professor
zharnitskiy@mail.ru
SMIRNOV ALEXANDR PETROVICH1, candidate of technical sciences, associate professor
sxodnyasmirnov@mail.ru
ANDREEV EVGENIJ VLADIMIROVICH2H, candidate of technical sciences, associate professor
andreev-rf@mail.ru
1 Russian state agrarian university — МАА named after С.А. Timiryazev; 127434, Moscow, Timiryazevskayaul, 49, Russia 2RANHiGS. Institute of state service and management; 119571, Moscow, prospect Vernadskogo, 82, bld. 1, office 3329, Russia
Assessment of the susceptibility of concrete to cracking with subsequent changes in the volume and nature of pores, as well as capillary passages, deformation and strength properties
of the material (especially tensile deformations and tensile strength) are the main indicators by which the resistance and durability of linings of water channels can be predicted. By regulating technological factors, it is possible to significantly reduce the intensity of moisture shrinkage, which in turn makes it possible to achieve an increase in the operational reliability and durability of concrete linings. The main reason for the manifestation of shrinkage cracks in concrete is the excess, at a certain point in time, of non-manifested shrinkage deformations, as a result of which tensile stresses are formed in the material with constrained shrinkage, the ultimate tensile strength of concrete. Qualitative prediction of the potential resistance and durability of linings of water channels is possible when assessing the predisposition of concrete to cracking with subsequent changes in the volume, nature of pores and capillary passages, deformation and strength properties of the lining material.
Keywords: concrete linings, environmental aggression, concrete cracking, concrete shrinkage, concrete crack resistance, strength properties, adhesion forces, tensile forces
Format of citation: Zharnitskiy V.Ya., Smirnov A.P., Andreev E.V. Experimental and theoretical substantiation of the method for assessing crack resistance and distance between shrink joints of concrete linings of water management canals // Prirodoobustrojstvo. - 2022. - № 2. - S. 63-68. DOI: 10.26897/1997-6011-2022-2-63-68.
Введение. Бетонные облицовки водохозяйственных каналов являются тонкостенными конструкциями с большой открытой поверхностью, которая подвергается агрессивному воздействию температурно-влажностного режима и природно-климатических условий внешней среды. Агрессия внешней среды вызывает в бетоне деструктивные процессы. Одним из важнейших процессов является микро- и макротрещинообра-зование. Оценка предрасположенности бетона к трещинообразованию с последующими изменениями объема и характера пор и капиллярных ходов, деформационных и прочностных свойств материала (особенно деформаций растяжения и прочности на разрыв) служит основой прогнозирования потенциальной стойкости и долговечности облицовок водохозяйственных каналов.
Растрескивание бетона монолитных облицовок происходит главным образом в результате влажностной усадки бетона в процессе его твердения. Интенсивность влажностной усадки зависит от многих факторов, главными из которых являются: состав бетона; качество его укладки и уплотнения; температурно-влажностные условия внешней среды; методы и продолжительность ухода за уложенным бетоном. Регулируя технологические факторы, можно существенно снизить интенсивность влажностной усадки и тем самым повысить эксплуатационную надежность и долговечность бетонных облицовок.
Материалы и методы исследований. Непосредственной причиной появления усадочных трещин в бетоне является превышение в какой-то момент непроявившихся усадочных деформаций, которые вызывают растягивающие напряжения в материале при стесненной усадке, предельной растяжимости бетона.
Другими словами, растрескивание бетона имеет место, когда растягивающие напряжения
Жарницкий В.Я., Смирнов П.А., Андреев Е.В.
в бетоне от стесненной усадки превышают его предел прочности на растяжение. В этой связи за условие трещиностойкости бетона может быть принято выражение
SH <S ,
ус пр.раст.'
или
a = е
Р ус
• E < R
раст p'
(1)
(2)
где - непроявившаяся относительная деформация при стесннной усадке; е - предельная относительная
пр.раст.
деформация растяжения; <гр - величина растягивающих напряжений в бетоне; Ераст - модуль упругости бетона при растяжении; Ер - предел прочности бетона при растяжении.
При выборе критерия трещиностойкости следует учитывать, что по условию (2) для оценки трещиностойкости необходимо на конкретный момент иметь два экспериментально полученных параметра: «е» и «Ераст». В этой связи в качестве критерия целесообразно принять условие (1).
Оценка бетона сопротивляться трещинообразованию в соответствии с принятым критерием производится по величине коэффициента трещиностойкости:
Ктр =-
(3)
Непроявившаяся усадка определяется как разность между относительными деформациями полной и стесненной усадки:
s = е — е .
ус ус ус
(4)
Полная и стесненная относительные деформации определяются на образцах, которые формируются в специальных стальных формах с вкладышами (рис. 1) и гнездами для установки капроновых нитей-маяков.
Экспериментально-теоретическое обоснование метода оценки трещиностойкости и расстояния между усадочными швами бетонных облицовок водохозяйственных каналов
н
Е
ус
Е
пр.раст.
Перед заполнением форм бетоном днище, стенки и вкладыши форм закрываются слоем полиэтиленовой пленки, смазанной минеральным маслом, чтобы исключить сцепление бетона с поверхностью формы и вкладышей.
После окончания формовки, в период между началом и концом схватывания бетона, в образцах напротив гнезд для капроновых нитей-маяков устанавливаются металлические кнопки с метками (рисками) для регистрации деформаций образца в процессе усадки бетона.
Сразу после установки кнопок с метками в гнездах бортов форм устанавливаются капроновые нити-маяки, и компаратором фиксируется их положение по отношению к меткам на кнопках с точностью до 5 мкм. Одновременно формируются три образца-близнеца. На первом из них определяется свободная (полная) усадка, для чего до установки капроновых нитей-маяков из формы осторожно извлекаются вкладыши, чтобы не создавать препятствий для деформаций усадки на всей длине образца.
Рис. 1. Форма-стенд для определения усадки бетона Fig. 1. Form-stand for determining the shrinkage of concrete
На втором образце определяют стесненную усадку, поскольку свободной деформации при его усадке препятствуют вкладыши, которые не извлекают в течение всего времени испытаний. Третий образец предназначается для определения предельной растяжимости бетона и хранится в форме с вынутыми вкладышами до испытаний. При этом кнопки с метками на образце и капроновые нити-маяки на стенках формы не устанавливаются.
Расходы материалов на 1 м3 бетона представлены в таблице 1. В процессе испытаний образцы находились в помещении при температуре +18...23°С и относительной влажности 50...60%. Основные результаты исследований представлены в таблице 2.
Из приведенных данных следует, что свободная (полная) усадка увеличивается с ростом концентрации водовяжущего теста при изготовлении бетона, а стесненная усадка и предельная растяжимость, наоборот, уменьшаются. Вероятно, это связано с повышением жесткости структуры конгломерата и увеличением (против оптимального) толщины прослоек матрицы из отвердевшего вяжущего между зернами заполнителя-песка. В результате этого коэффициент трещиностойко-сти интенсивно увеличивается с уменьшением концентрации водовяжущего теста, что соответствует известному из практики положению о большей трещиностойкости тощих растворов [1-7].
В основу методики по определению расстояния между усадочными швами облицовок положены следующие предпосылки:
1. Усадка развивается равномерно по всему объему материала. Из этого следует, что если отсутствует сцепление бетона одежды с основанием, усадка не вызывает растрескивания, поскольку изменению размеров (объема) материала не препятствуют никакие внешние и внутренние (неравномерность усадки) силовые факторы.
2. Растрескивание происходит вследствие возникновения непроявившейся усадки, то есть усадки, развитию которой воспрепятствовали внешние силовые факторы. В случае антифильтрационных монолитных бетонных одежд главными внешними силовыми факторами, препятствующими проявлению усадки (то есть вызывающим непроявившуюся усадку), являются активные единичные силы (напряжения) сцепления подошвы одежды с грунтовым основанием. Эти силы активно проявляются только с момента возникновения смещения подошвы одежды по основанию вследствие усадки бетона одежды (с момента достижения предельного равновесия).
3. Величина этого сцепления в пределах каждой элементарной площадки на контакте одежды с грунтом является функцией силы трения подошвы одежды о грунт и соотношения относительной деформации усадки и относительной предельной растяжимости бетона (еус / епррасг), поскольку, если это отношение равно или больше единицы, возникающие усадочные деформации бетона погашаются деформациями растяжимости. В этом случае не происходит изменения размеров (объема) материала, то есть смещения подошвы одежды по основанию, а значит, не возникают активные силы сцепления.
Zharnitskiy V.Ya., Smirnov A.P., Andreev E.V.
Experimental and theoretical substantiation of the method for assessing crack resistance and distance between shrink joints of concrete linings of water management canals
Составы пескобетона Sand concrete compositions
Таблица 1
Tablel
ä я 2 f
s g £ * § и « s ® й s й
£ Ü
а § н и M Я ч
S 0 >> ¡5 Э 2 s S
в
^ g Ig
§ 8 й s
°в»в
"Ö ^ ^ s ö -12 чз 4 Tg е чз § ö ¡eJE
4 ö ^
ö ь- ^
• ^ ^ ^
is S »
5 •§ "ö
Is S
s » ^ is
^ g § e £
1:2,0 1:2,7 1:3,4
H M
щ О
S о
tu и
а ~
о щ
И О
H
ф
о H
и s
H
о S
l—l z"^,
s ^
-e e
e
S "ö
> £
î л
ä I
К й
" О
0,5 0,5 0,5
8 S
ш с
3е S & s
и s
« -E
я w
о и о я
И
§ ! -•¡S Su «
¡SS
о -о
s ^
о ^
о ^
0,412 0,343 0,292
Расходы материалов в кг на 1 м3 бетона
Consumption of materials in kg per 1 m3 of concrete
Песок / Sand
и
й
43 о
З'-Й
M ¿1 "
1184 1352 1480
« §
* Ü
§ J
1308 1494 1635
и Л Ё g
я $
щ ¡3 Я" в
468 359 280
№ м
« s S 0 4s и и g
В ~ g. Я Щ м
а g'S
щ Я Л
s ^ s
osa s ® я к
Неб
S о
^ ö
-е £
К S
я
а
а
■о е
н »
592 501
435
Вода / Water
Ф га
а и н о о в о и о
я «
К
ö е
83 95 104
щ
s о
M ь О
щ О U
° s я
s s >
Й Э si
S S s
ь s
• ^ » H "Ö
-S
S Й ^
о
296 250 218
Таблица 2
Результаты исследований трещиностойкости пескобетона
Table2
Results of sand concrete crack resistance studies
Состав пескобетона (Ц / П) Composition of sand concrete (C/ S) Концентрация водовяжущего теста в бетоне (по массе) Concentration of water binding dough (by weight) Коэффициент трещиностойкости Coefficient of crack resistance Значения относительных деформаций к 10 5 Values ofrelative deformations к 10-5
Свободной (полной) усадки Free (full) shrinkage Стесненной усадки Constrained shrinkage Предельной растяжимости Ultimate tensile strength
1:2 0,412 1,90 151 69 43
1:2,7 0,343 1,38 142 78 46
1:3,4 0,292 0,81 131 90 50
Функциональная зависимость единичных активных сил сцепления (напряжений) для одномерной (линейной) задачи при единичной ширине полосы принята в виде:
= 5-р • f
Ло ' тг
(5)
где 3 - толщина облицовки, см; ро - средняя плотность бетона, г/см3; /тр - коэффициент трения бетона по грунту; е - относительная деформация усадки бетона; е -
ус пр.раст.
относительная предельная растяжимость бетона.
4. Распределение активных сил сцепления по длине контактного слоя (рис. 2) принято по закону:
г = 0,5г •l2
(6)
или после подстановки значения гед из выражения: (5)
т = 0,5ô^p f
' ' о ' тг
• l2.
(7)
Здесь I - рассматриваемая координата от сечения, где т = 0 (центр усадки), м.
Рис. 2. Расчетная эпюра распределения напряжений сцепления (о) по контакту облицовки с грунтом Fig. 2. Calculated diagram of distribution of bond tensions (о) on the contact of the lining with cement
5. Активные силы сцепления, суммируясь по длине от начала отсчета (сечения, где т = 0, центр усадки) до места (сечения), где они достигают максимальной величины Tmax (отрезок 1пред, рис. 2), создают растягивающее усилие в облицовке, которое вызывает в этом сечении разрыв (трещину) в бетоне, поскольку здесь растягивающие напряжения в бетоне достигают предела прочности бетона на растяжение.
Жарницкий В.Я., Смирнов П.А., Андреев Е.В.
Экспериментально-теоретическое обоснование метода оценки трещиностойкости и расстояния между усадочными швами бетонных облицовок водохозяйственных каналов
S
ус
Г
ед
пр.раст
пр.раст
Величина растягивающего усилия опре деляется интегралом:
Р = 0,5.S.Po • L
Общее расстояние между трещинами Ь, то есть расстояние между усадочными швами в облицовке из условия симметрии (рис. 2), | пред'/ 2ё1, (8) определяется по формуле:
откуда
Р = 0,167•ôpo • /
тр пред.
пр.раст.
Величина растягивающих напряжений в бетоне облицовки от растягивающего усилия при линейной одномерной задачи определяется как
Р
ст =—, р а
(10)
а после подстановки значения Р из выражения (9) принимает вид:
0,167 • P„- /тр •gyc 73
и =--l
Р пред.
... (Ц)
"пр.раст.
На основании вышеизложенных предпосылок координата сечения (1пред), где должна возникать трещина от усадки при достижении растягивающими напряжениями в бетоне предела прочности его на растяжение, может определяться из выражения:
0,167• p •/
' / „ ' тр
•l3 <RHK •К , (12)
пред. р „д ур'
откуда значение 1пред. будет определяться как
3 3
L = i5
6- RHK К •е
р „д ур пр.раст.
P • / • е
г „ ' тр ус
(13)
где Ер1 - нормативное сопротивление бетона на растяжение, т/м2; Код - коэффициент однородности бетона; Кур - коэффициент условия работы.
Библиографический список
1. Вердиев А.А. Надежность бетонных и железобетонных облицовок магистральных каналов, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2017. - № 1(25). - С. 161-177.
2. Ставская И.С. Продольные трещины в защитном слое бетона в условиях коррозионных повреждений: Автореф.дис. ...канд.техн. наук. - М.: МГСУ, 2014. - 36 с.
3. Капустин Ф.Л., Помазкин Е.П. Влияние гидроизоляционной проникающей капиллярной смеси на водопроницаемость бетона и микроструктуру цементного камня // Гидротехническое строительство. - 2018. - № 2. - С. 9-12.
4. Борделяну Г.В. Экспериментально-статистические исследования деформаций ползучести заводского бетона с построением математических моделей второгопорядка для их вычисления
L ЗзК^д К V
К
P„ /т1
(14)
(9) где Кт - коэффициент запаса против образования трещин.
В расчетах для экспериментальной проверки методики рекомендуется принимать: /т -0,7.1,0; р - 2,3.2,4 г/см3; К - 0,40.0,45;
Го од
К - 0,25.0,45; Кт - 1,4.
1,7.
í
\
Значения соотношения ——— рекомен-
£
V пр.раст. J
дуется определять экспериментально для принятого состава бетона с учетом температур -но-влажностных условий твердения бетона и технологии ухода за ним, но для предварительных расчетов это соотношение можно принимать в пределах 0,2.0,1, что соответствует концентрации водовяжущего теста в бетоне от 0,4 до 0,3 по массе и водовяжущего отношения от 04 до 0,6 [1-7]. При этом следует иметь в виду, что с увеличением концентрации водо-вяжущего и водоцементного теста это соотношение уменьшается.
Выводы
В основе прогнозирования потенциальной стойкости и долговечности облицовок водохозяйственных каналов лежит оценка предрасположенности бетона к трещинообразова-нию с последующими изменениями объема, характера пор и капиллярных ходов, деформационных и прочностных свойств материала облицовки.
References
1. Verdiev А.А. Nadezhnost betonnyh i zhelezo-betonnyh oblitsovok magistralnyh kanalov, expluati-ruemyh v razlichnyh inzhenerno-geologichekih uslo-viyah / Nauchny zhurnal Rossijskogo NII problem me-lioratsii. - 2017. - № 1(25). - S. 161-177.
2. Stavskaya I.S. Prodolnye treshchiny v zashchit-nom sloe betona v usloviyah korrozionyh povrezhde-nij / avtoreferat dissertatsii kandidata tehnicheskih nauk. - М.: HGSU. 2014. - 36 s.
3. ^pusim F.L., Pomazkin Е.P. Vliyanie gidroizolyatsionnoj pronikayushchej kapillyarnoj smesi na vodopronitsaemost betona i mikrostruktu-ru tsementnogo kamnya / Gidrotehnicheskoe stroi-telstvo. - 2018. - № 2. - S. 9-12.
4. Bordelyanu G V. Experimentalno-statistiches-kie issledovaniya deformatsij polzuchesti zavodskogo vychisleniya i prognozirovaniya: avtoreferat dis. kand. tehn. nauk. - Kishinev: 1974. - 23 s.
Zharnitskiy V.Ya., Smirnov A.P., Andreev E.V.
Experimental and theoretical substantiation of the method for assessing crack resistance and distance between shrink joints of concrete linings of water management canals
пр.раст
пр.раст.
и прогнозирования: Автореф.дис. ...канд.техн. наук. - Кишинев, 1974. - 23 с.
5. Галустов К.З. Двухкомпонентная теория. Развитие и уточнение теории ползучести бетона: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1980. - 35 с.
6. Корниенко П.А., Прозоровский А.Г., Са-бодаш П.Ф. Об учете массовых сил в расчетах плоско-параллельного слоя бетонной смеси на наклонном грунтовом массиве // Материалы научно-технической конференции. - М.: МГУП, 2000. - С. 93-94.
7. Грозав В.И., Кулиев К.А. Интенсификация бетонирования монолитных облицовок каналов // Материалы научно-технической конференции. -М.: МГУП, 2001. - 85 с.
8. Вайнберг А.И. Решение динамических задач оползневого сдвига // Гидротехническое строительство. - 2002. - Вып. 5. - С. 24-28.
9. Жарницкий В.Я., Корниенко П.А. Экспериментальные исследования безвибрационного метода укладки бетонной смесив облицовках каналов // Природообустройство. - 2021. - № 3. - С. 88-94.
10. Жарницкий В.Я., Корниенко П.А. Обоснование линейной математической модели сдвигового течения бетонной смеси под действием силы тяжести по наклонной поверхности откоса // Природообустройство. - 2020. - № 1. - С. 88-93.
Критерии авторства
Жарницкий В.Я., Смирнов А.П., Андреев Е.В. выполнили теоретические и экспериментальные исследования, на основании которых провели обобщение и написали рукопись, имеют на статью авторское право и несут ответственность за плагиат. Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов Статья поступила в редакцию 28.12.2021 г. Одобрена после рецензирования 18.04.2022 г. Принята к публикации 25.04.2022 г.
5. Galustov E.Z. Dvuhkomponentnaya teoriya. Razvitie i utochnenie teorii polzuchesti betona, avro-ref. dis. doktora tehn. nauk. - М.: 1980. - 35 s.
6. Когшепко Р.А., Prozorovskiy А^., Sa-bodash P.F. ОЬ uchete massovyh sil v raschetah plosko - parallelnogo sloya betonnoj smesi na na-klonnom gruntovom masssive. Маt-ly nauchno-tehn. konf. - М.: МОЦР, 2000. - S. 93-94.
7. Grozav V.I., Kuliev К.А. Intensifikatsiya be-tonirovaniya monolitnyh oblitsovok kanalov: Маt-ly nauchno-tehn. konf. - М.: МОЦР, 2001. - 85 s.
8. Vainberg А.1. Reshenie dinamicheskih za-dach opolznevogo sdviga // Gidrotehnicheskoe stroi-telstvo. - 2002. - Vyp. 5. - S. 24-28.
9. Zharnitskiy V.Ya., ^rnienko Р.А. Experi-mentalnye issledovaniya bezvibratsionnogo metoda ukladki betonnoj smesi v oblitsovkah kanalov / Priro-doobustrojstvo. - 2021. - № 3. - S. 88-94.
10. Zharnitskiy V.Ya., ^rnienko Р.А. Obos-novanie linejnoj matematicheskoj modeli sdvigovo-go techeniya betonoj smesi pod dejstviem sily tya-zhesti po naklonnoj poverhnosti otkosa / Prirodoo-bustrojstvo. - 2020. - № 1. - S. 88-93.
Criteria of Authorship
Zharnitskiy V.Ya., Smirnov A.P., Andreev E.V. carried out theoretical and experimental studies, on the basis of which they generalized and wrote the manuscript. Zharnitskiy V.Ya., Smirnov A.P., Andreev E.V. have copyright on the article and are responsible for plagiarism. Conflict of interests
The authors declare that there are no conflicts of interests The article was submitted to the editorial office 28.12.2021 Approved after reviewing18.04.2022 Accepted for publication 25.04.2022
Жарницкий В.Я., Смирнов П.А., Андреев Е.В.
Экспериментально-теоретическое обоснование метода оценки трещиностойкости и расстояния между усадочными швами бетонных облицовок водохозяйственных каналов
