CC BY
25
Оригинальная статья / Original article УДК.691-4
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2018-4-162-169
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УСТАЛОСТИ БЕТОНА ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
© Б.И. Пинус3
Иркутский национальный исследовательский технический университет 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
РЕЗЮМЕ: Обоснование возможности использования энергетических параметров стойкости бетонов в качестве критерия вероятного кумулятивного отказа при расчетном сроке эксплуатации железобетонных конструкций «северного исполнения». Экспериментально-аналитическое исследование изменения прочности при сжатии и растяжении бетона и деформативности в процессе исчерпания ресурса сопротивления знакопеременным температурно-влажностным воздействиям. Выполнены статические испытания образцов бетона класса В25, проектной морозостойкости бетона марки F300 по истечении регламентированного количества циклов в криогенном (231°К) и оттаявшем (293 °К) состояниях. Использован режим непрерывного загружения с постоянной скоростью деформирования, автоматической записью диаграмм а-е и времени. Обоснована возможность использования концептуальных положений кинетической теории прочности твердых тел и практическая приемлемость ее аналитической модели для оценки последствий кумулятивных изменений в бетонах, подвергаемых циклическому замораживанию и оттаиванию. Установлена высокая «чувствительность»ее значимых параметров, характеризующих напряженность внутренних структурных связей в бетонах, а также практическая тождественность их изменения кинетике границ микроразрушений. Это позволяет использовать его в качестве информативного критерия вероятного кумулятивного отказа железобетонных элементов в суровых климатических условиях. Исследована динамика изменения при циклическом замораживании и оттаивании потенциала пластического деформирования бетона и обусловлена его кинетика энергии диссипации. Установлен экспериментальный характер изменения энергии, что подтверждает усталостные закономерности анализируемых деструктивных процессов. На основании кинетики энергетических параметров сопротивления рекомендуется ограничить расчетный срок эксплуатации железобетонных конструкций в суровых климатических условиях с учетом их эквивалентности 85% ресурса нормируемой морозостойкости бетонов.
Ключевые слова: бетон, морозостойкость, усталость, кумулятивный отказ
Информация о статье: Дата поступления 01 октября 2018 г.; дата принятия к печати 29 октября 2018 г.; дата онлайн-размещения 21 декабря 2018 г.
Для цитирования: Пинус Б.И. Энергетические аспекты усталости бетона при низкотемпературных воздействиях. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018;8(4):162-169. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-4-162-169
ENERGY-RELATED ASPECTS OF CONCRETE FATIGUE AT LOW-TEMPERATURE EXPOSURE
Boris I. Pinus
Irkutsk National Research Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation
ABSTRACT: This article proposes a justification for the possibility of using the energy parameters of concrete resistance as a criterion of probable cumulative failure during the estimated lifetime of reinforced concrete structures of the “northern version”. An experimental and analytical study of changes in the compressive and tensile strength and deformability of concrete under impacts of the resource caused by alternating
эПинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительного производства, e-mail: pinus@istu.edu
Boris I. Pinus, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of building production, e-mail:pinus@istu.edu
temperature and humidity is described. Static tests of class B25 concrete samples project frost resistance of F300 concrete after the completion of the regulated number of cycles in cryogenic (231 °K) and thawed (293 °K) conditions were carried out. The continuous loading mode with a constant deformation speed and time duration as well as automatic recording of a-e diagrams is used. The possibility of using the conceptual provisions of the kinetic concept of the strength of solids and the practical acceptability of its analytical model for evaluating the effects of cumulative changes in cyclically frozen and thawed concrete is substantiated. The high "sensitivity" of its significant parameters, characterising the intensity of internal structural bonds in concrete, as well as the practical effect their state has on changes in the kinetics of the micro-destruction boundaries, has been established. This makes it possible to use this concept as an informative criterion for the probable cumulative failure of reinforced concrete elements in severe climatic conditions. The dynamics of change during cyclic freezing and thawing and the potential of plastic deformation of concrete is investigated and its dissipation energy kinetics is determined. The experimental nature of the change in energy is established, which confirms the fatigue patterns of the analysed destructive processes. Based on the kinetics of the energy parameters of resistance, it is recommended to limit the design lifetime of reinforced concrete structures in harsh climatic conditions, taking into account their equivalence to 85% of the normalised frost resistance of concrete.
Keywords: concrete, frost resistance, fatigue, cumulative failure
Information about the article: Received October 01, 2018; accepted for publication October 29, 2018; available online December 21, 2018.
For citation: Pinus B.I. Energy-related aspects of concrete fatigue at low-temperature exposure. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2018;8(4):162-169. (In Russ.) DOI: 10.21285/2227-2917-2018-4-162-169.
Введение
Проектное обеспечение долговечности железобетонных конструкций в суровых климатических условиях сопряжено с необходимостью прогноза вероятности кумулятивных параметрических отказов из-за неблагоприятных циклических воздействий внешней среды. Из-за отсутствия систематизированных соответствующих данных ее статистически обоснованная оценка затруднена, что предопределяет целесообразность поиска и обоснования косвенных информативных критериев исчерпания усталостной работоспособности бетона(железобетона) при низкотемпературных и влажностных воздействиях. При этом желательно в качестве исходных предпосылок использовать установленные физические закономерности развития последствий взаимодействия конструкции и внешней среды как нестационарного постепенного термоактивационного процесса зарождения, накопления и развития структурных микроразрушений [1-4].
При таком подходе долговечность материала (время, наработка,
циклы) может быть спрогнозирована фундаментальной зависимостью кинетической теории прочности твердых тел [5-7] в следующем виде:
^ = Ь exp j U 0 kT7<J j, (1)
Ее достоинство в рассматриваемом аспекте состоит в возможности одновременного и совместного учета исходной прочности структурообразующих связей и их пере-напряженности, обусловленной внешними условиями. Кроме того, кинетическая концепция основывается на наличии единого механизма разрушения и неупругого деформирования, что соответствует современным представлениям морозной деструкции обычного и армированного бетона [3, 4].
Методы исследования
Для экспериментальной проверки чувствительности функциональной модели и информативности параметров кинетической концепции (1) выполнены целенаправленные испытания кубических и призматических образцов бетона класса В25 и проектной морозостойкости бетона
1
марки F3001. В зрелом (более 60 дней) возрасте образцы подвергались ежесуточному циклическому охлаждению (т = 231°к) и оттаиванию
(т = 293°к )с нормативной кинетикой
изменения температур. Через каждые пять циклов температурно-
влажностных (T-W) воздействий проводились испытания на сжатие и растяжение (раскалывание) в режиме постоянства скорости деформирования в криогенном и естественном состояниях. В процессе испытаний фиксировалось время (долговечность), и велась запись диаграмм ав - s6 при сжатии
призм. Число одновременно испытуемых образцов-близнецов составляло не менее 6 шт.
Аналитическая оценка параметров кинетической модели долговечности на различных этапах T-W воздействий проводилась путем решения
систем уравнений (1), преобразованных к виду:
°(T2)
1
7
7
U 0 - kTl ln
-0
U 0 - kT2 ln
-0
(2)
с использованием теоретических [8, 9] значений k = 2 ■ 10-3 ккал/моль град,
-0 = 1 о-13 c и экспериментальных значений v(Ti), соответствующих разрушающей испытательной нагрузке.
Принятая база температурновлажностных воздействий (N=45) несколько превышала нормативный показатель морозостойкости (F) и соответствовала снижению прочности бетона при сжатии на 18,7%, а при растяжении - на 34,7%. Изменение параметров долговечности кинетической модели (1) во взаимосвязи с исчерпанием относительного ресурса морозостойкости N/F) представлено на рис.1 и 2.
Рис. 1. Изменение энергии активации разрушения при циклическом замораживании
и оттаивании
Fig. 1. The change in the activation energy of destruction during cyclic freezing and thawing
1
ГОСТ 10060-2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости (с Поправкой). Введ. 01.01.2014. М.: Стандартинформ, 2018. / GOST 10060-2012 Concrete. Methods for determination of frost resistance (Corrected). Enter. 01.01.2014. Moscow: Standartinform Publ., 2018.
Рис. 2. Изменение параметра энергетического барьерапри циклическом замораживании и оттаивании
Fig. 2. The change in the parameter of the energy barrier during cyclic
freezing and thawing
Результаты и их обсуждение
Практическая приемлемость использования кинетической концепции для оценки последствий усталостных изменений структуры бетонов, подвергнутых T-W воздействиям, подтверждается динамикой ее основных параметров при механической активации разрушения растягивающими усилиями. Это следует из постоянства средних значений энергии активации и0 на всех уровнях испытаний, что
соответствует одной из фундаментальных предпосылок теории. Одновременно наблюдается значимое снижение параметра у, косвенно характеризующего перенапряженность внутриструктурных связей. Причем его динамика тождественна кинетике изменения границы микротрещинообразования R0rc, что позволяет предполагать сходство физических закономерностей процессов, которые они характеризуют. В такой постановке у может рассматриваться в качестве чувствительного и информативного критерия кумулятивного отказа в рассматриваемых условиях внешнего воздействия.
Что касается контрольных испытаний на сжатие, то их результаты не подтверждают приемлемость (в рассматриваемом аспекте) базовых предпосылок кинетической концепции. Это следует из почти двукратного увеличения к концу испытаний показателя U0 (теоретической константы материала) и немонотонности изменения у , косвенно свидетельствующих о появлении при циклическом замораживании и оттаивании (ЦЗО) качественно новых внутриструктурных связей.
На вероятность отклонений экспериментальных данных от теоретически ожидаемых значений указывали и авторы кинетической теории [6]. Это связано с объективными неточностями при использовании моделей флуктуации отдельных атомов на весь активационный объект и должно наиболее сказываться в условиях объемного (с учетом трения) деформирования при сжатии бетонных образцов. На наш взгляд, наблюдаемые различия могут быть обусловлены и спецификой трансформации структуры бетона при рассматриваемых воздействиях, ведущей к качественным изменениям его
деформации [10, 11]. Поэтому представляется целесообразным выделять и сопоставлять показатели остаточных (необратимых) деформаций, кинетика которых определяется энергией диссипаций при температурно-влажностных воздействиях.
Для их анализа использован графоаналитический метод преобразования диаграмм сжатия [12], который позволял выделять из общей деформации ее пластическую составляющую spl. Динамика их изменения в
сунке 3 и показывает, что уровень пластических деформаций при максимальной нагрузке практически стабилен при ЦЗО, не превышающем половины нормативного ресурса морозостойкости бетона. На нисходящем участке диаграммы сжатия имеется четкая тенденция к росту spl в процессе рассматриваемых воздействий. В дальнейшем N > 20)существенно меняется характер пластических деформаций: от снижения градиента затухания а > 0,7Re) до нестабилизирующе-
процессе исчерпания ресурса морозостойкости бетона представлена на ри-
гося развития.
Рис. 3. Изменение потенциала пластического деформирования бетона при циклическом замораживании иоттаивании Fig. 3. The change in the potential of plastic deformation of concrete during cyclic
Freezing and thawing
По истечении 40 циклов (1,15F) пластическое деформирование наблюдается с начала приложения, снимающего усилия и имеет незатухающий характер.
Если предположить, что пласти-
ческое деформирование полностью обусловлено микроразрушениями2 [13], то площадь диаграмм а-spl будет характеризовать удельную (на единицу объема) работу, затрачиваемую на разрушение сформировавшейся к мо-
2Пинус Б.И. Обеспечение долговечности железобетонных конструкций при низкотемпературных воздействиях: дис. ... д-ра. техн. наук. М., 1985. 367 с. / Pinus B.I. Ensuring the durability of reinforced concrete structures at low-temperature effects: Doctoral Dissertation in technical sciences. Moscow, 1985. 367 p.
менту силовых испытании структуры бетона. Экстремальный характер ее изменения при ЦЗО (рис.4) свидетель-
ствует о неоднозначности последствий происходящих кумулятивных процессов.
Рис. 4. Кинетика энергии диссипации при циклическом замораживании
и оттаивании
Fig. 4. Kinetics of dissipation energy during cyclical freezing and thawing
С энергетических позиций циклическое замораживание и оттаивание бетона сопровождается разновероятностным разрывом и восстановлением внутриструктурных связей. Вновь образуемые связи «закрепляют» накопленную деформацию, увеличивая потенциал упругого сопротивления. Возникая на более поздних этапах T-W воздействий, они менее напряжены и, следовательно, энергетически прочнее [14]. Максимум положительных эффектов усталостных деформаций наблюдается при циклах, соответствующих 50-55% стандартного показателя морозостойкости бетонов. К моменту его достижения энергия активации механического разрушения при сжатии практически равна исходной с явной
ускоренной тенденцией к снижению из-за преимущественного развития деструктивных процессов.
Выводы
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность оценки усталостной прочности бетонов при низкотемпературных воздействиях с использованием концептуальных положений кинетической теории прочности.
2. Установлена целесообразность вероятного прогноза кумулятивного усталостного отказа железобетонных конструкций северного исполнения на срок службы, эквивалентный использованию не более 85% нормируемого ресурса морозостойкости бетона.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Москвин В.М., Подвальный А.М. О морозостойкости долговечности железобетонных конструкций // Труды НИИЖБ. М.: Госстройиздат, 1960. Вып. 15. С. 3-13.
2. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1961.96 с.
3. Москвин В.М., Капкин М.М., Савицкий А.Н., Ярмаковский В.Н. Бетон для строительства в суровых климатических условиях. М.: Стройиз-дат, 1973. 172 с.
4. Юдин А.П., Ткаченко Т.А. Деформации и стойкость одноосно сжатого бетона при периодических температурно-влажностных воздействиях среды // Труды РИСИ. 1976. Вып. 15. С.16-25.
5. Ярема С.Я. Стадийность усталостного разрушения и ее следствия // Физико-химическая механика материалов. 1973. № 6. С. 66-71.
6. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский
Э.Е. Кинетическая теория прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
7. ЗайцевЮ.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушений. М.: Стройиздат, 1982. 196 с.
8. Круглицкий Н.Н., Хоменко В.П., Васюк Н.В. Возможности использования физикохимической механики для прогнозирования долговечности пористых строительных материалов // Защита строительных материалов и конструкций от коррозии. Киев, 1973. Ч. 1. С. 54-56.
9. Журков С.Н., Томашевский Э.Н. Некоторые проблемы прочности твердого тела. М.: Наука, 1959. 68 с.
10. Пинус Б.И., Пинус Ж.Н., Хомякова И.В. Изменение конструктивных свойств бетонов при охлаждении и замораживании // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 2 (97). С.111-115.
11. Пинус Б.И., Семенов В.В. О сопротивляемости деформированию бетона, подвергнутого циклическому замораживанию и оттаиванию // Проблемы совершенствования строительных конструкций на Дальнем Востоке. Хабаровск, 1982. С.101-106.
12. Cook D., Chindaprasirt P. A mathematical model for the prediction of damage in concrete // Cement and Concrete reseach. 1981. Vol. 11. P. 581-590.
13. Гладков В.С. О разрушении гидротехнического бетона при многократном замораживании и оттаивании в нестационарном режиме // Труды координационных совещаний по гидротехнике. Л.: Энергия, 1972. Вып. 73. С. 133-142.
14. Пинус Б.И., Пинус Ж.Н. Об одном подходе к оценке агрессивности температурноклиматических условий по отношению к бетону // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2011. № 1. С. 121-125.
REFERENCES
1. Moskvin V.M., Podval'nyi A.M. O moro-zostoikosti dolgovechnosti zhelezobetonnykh konstruktsii [About frost resistance of durability of reinforced concrete structures]. Trudy NIIZhB [Works of NIIZhB]. Moscow: Gosstroiizdat Publ., 1960, Iss. 15, pp. 3-13.
2. Berg O.Ya. Fizicheskie osnovy teorii prochnosti betona iz helezobetona [The physical basis of the theory of strength of concrete and reinforced concrete]. Moscow: Gosstroiizdat Publ., 1961.96 p.
3. Moskvin V.M., Kapkin M.M., Savitskii A.N., Yarmakovskii V.N. Beton dlya stroitel'stva v suro-vykh klimaticheskikh usloviyakh [Concrete for construction in harsh climatic conditions]. Moscow: Stroiizdat Publ., 1973. 172 p.
4. Yudin A.P., Tkachenko T.A. Deformatsii i stoikost' odnoosnoszhatogo betona pri periodiche-skikh temperaturno-vlazhnostnykh vozdeistviyakh sredy [Deformations and durability of uniaxially compressed concrete with periodic temperature-humidity environmental influences]. Trudy RISI [Proceedings of RISS]. Rostov-on-Don, 1976, vol. 15, pp. 16-25.
5. Yarema S.Ya. Stadiinost' ustalostnogo razrush-eniya i ee sledstviya [The stadial nature of fatigue failure and its consequencesy. Fiziko-khimicheskayamekhanikamaterialov [Physicochemical mechanics of materials]. 1973, no. 6, pp. 66-71.
6. Regel' V.R., Slutsker A.I., Tomashevskii E.E. Kineticheskaya teoriya prochnosti tverdykh tel
[Kinetic theory of the strength of solid bodies]. Moscow: Nauka Publ., 1974. 560 p.
7. Zaitsev Yu.V. Modelirovanie deformatsii i prochnosti betona metodami mekhaniki razrush-enii [Modeling deformations and strength of concrete by methods of fracture mechanics]. Moscow: Stroiizdat Publ., 1982. 196 p.
8. Kruglitskii N.N., Khomenko V.P., Vasyuk N.V. Vozmozhnosti ispol'zovaniya fiziko- khimicheskoi mekhaniki dlya prognozirovaniya dolgovechnosti poristykh stroitel'nykh materialov [Possibilities of using physical and chemical mechanics to predict the durability of porous building materials]. Zash-chita stroi-tel'nykh materialov i konstruktsii ot kor-rozii [Protection of building materials and structures against corrosion]. Part 1. Kiev, 1973, pp. 54-56.
9. Zhurkov S.N., Tomashevskii E.N. Nekotorye problem prochnosti tverdogo tela [Some problems of solid strength]. Moscow: Nauka Publ., 1959,
68 p.
10. Pinus B.I., Pinus Zh.N., Khomyakova I.V. Changing of the constructive properties of concrete during cooling and freezing. Vestnik Irkut-skogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Uni-versiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2015, no. 2 (97), pp. 111-115.
11. Pinus B.I., Semenov V.V. On the resistance to deformation of concrete subjected to cyclic freezing and thawing. Problemy sovershenstvovaniya stroitel'nykh konstruktsii na Dal'nem Vostoke
[Problems of improving construction structures in the Far East]. Khabarovsk, 1982, pp. 101-106.
12. Cook D. Chindaprasirt P. A mathematical model for the prediction of damage in con-crete.Cement and Concrete reseach. 1981, vol. 11, pp. 581-590.
13. Gladkov V.S. O razrushenii gidrotekhniches-kogo betona pri mnogokratnom zamorazhivanii I ottaivanii v nestatsionarnom rezhime [On the destruction of hydraulic concrete with repeated freezing and thawing in a non-stationary mode].
Критерии авторства
Пинус Б.И. полностью подготовил статью и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Trudy koordinatsionnykh soveshchanii po gidro-tekhnike [Proceedings of coordination meetings on hydraulic engineering]. Leningrad: Energiya Publ., 1972, Iss. 73, pp. 133-142.
14. Pinus B.I., Pinus Zh.N. On the approach to the assessment of corrosiveness caused by temperature and climatic conditions in regard of concrete. Izvestiyavuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhi-most' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate]. 2011, no. 1, pp. 121-125.
Contribution
Pinus B.I. has prepared the article for publication and is responsible for plagiarism.
Conflict of interests
The author declares no conflict of interests regarding the publication of this article.
