CC BY
10
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
УДК 691.32:624.012.44.042
Д. В. РУДЕНКО1*
1 Каф. «Мгське буд1вництво та господарство», Запорiзька державна шженерна академш, пр. Соборний, 226, Запорiжжя, Укра!на, 69006, тел. + 38 (098) 214 04 85, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-0827-042Х
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НАПРУЖЕНОГО СТАНУ МОДИФ1КОВАНОГО МОНОЛ1ТНОГО БЕТОНУ
Мета. Стаття присвячена дослiдженню напруженого стану модифiкованого монолiтного бетону природного тверднення. Методика. Для досягнення поставлено! мети проведет дослщження мжроструктури дисперсно модифшовано! цементно! матрицi бетону, мехашзму структуроутворення модифiкованого бетону природного тверднення; визначеш методи надшно! оцiнки деформативних властивостей бетону. Результата. Розвиток внутршшх напружень по-рiзному впливае на властивосп бетону. При наростаннi температурно-усадкових деформацш у часi i, отже, при зб№шенш структурних напружень у цементнш оболонцi навколо зерен заповнювача можуть розвиватися два протилежних процеси: зона пластичного плину або зона трщин. Наукова новизна. Встановлено, що комплекс структурних особливостей модифжованого бетону при передачi навантаження призводить до формування широко! зони передруйнування, здатно! поглинати значний об'ем пружно! енергi!' деформацп, що забезпечуе отримання проектних деформативних властивостей бетону спещального призначення. Отримали подальший розвиток уявлення про визначення критерiю трiщиноутворення модифiкованого бетону, що твердне в природних умовах. Практична значимкть. Отриманi рiвняння дозволяють виршити питання про мiнiмальний рiвень структурних напружень у монолитному бетонi при певному насиченнi його крупним заповнювачем, а також оцiнити вплив структурних напружень на властивосп бетону. У звичайних бетонiв з ввдносно тонкою цементною оболонкою при температурно-усадкових деформащях виникають високi тангенцiальнi та невелик! радiальнi напруження. У природних умовах щ напруження вище в результата пвдвищення значень Де(х), чого не спостертаеться у модифiкованих бетонiв. У модифжованих бетонах найбiльшу небезпеку для структури представляють лише тангенцiальнi напруження. Змша усадкових напружень у час мае однозначний характер. Сумарнi температурно-усадковi деформацi!' мають пилкоподiбний графiк. Для модифжованого бетону амплiтуда коливань на 48...53 % менше. Це дозволить виршити ряд технологiчних завдань при зведенш монолiтних будiвель.
Ключовi слова: модифжований бетон; монолiтний бетон; напружений стан; деформативнi характеристики
Вступ
Сучасний р1вень розвитку буд1вництва вимагае подальшого розвитку концепцп бетошв нового поколшня, яю необхщш для сприйняття зростаючих вплив1в природного i техногенного характеру, а також для особливих умов експлуатаци [8, 9, 17].
Отримання бетошв нового поколiння з високими експлуатацшними властивостями (ВЕВ) мае забезпечуватися технолопею, заснованою на використаннi iснуючоi виробничо! бази i традицiйних матерiалiв. Таю бетони повинш мати мiцнiсть класу В 70 i вище, шдвищену щiльнiсть i довговiчнiсть, зберiгаючи вс переваги, якi зробили i^ основним конструкцшним матерiалом будiвництва. Удосконалена технолопя вимагае
яюсно нового пiдходу, здатного забезпечити повну реалiзацiю в'яжучих властивостей цементу i потенцiйний запас мiцностi бетону [20, 21].
У природних умовах у результата нерiвномiрного на^вання (охолодження) або висихання (зволоження) по перерiзу бетонних конструкцiй виникае температурно-вологiсний градiент i, отже, власнi напруження, урiв-новаженi в об'емi всiеi конструкций Якiсно iншi внутрiшнi напруження - структуры -викликаються температурно-вологiсними де-формацiями в анiзотропнiй структурi бетону. Анатз структурних напружень бетону показав, що величина ix значна i часто переважае границю мiцностi матерiалу [13, 16]. Структурнi напруження врiвноважуються в зонi зерен заповнювача [10-12].
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
Субмшроструктурш напруження виникають у цементнш матриц бетону при розвитку кристалопдратних новоутворень [7, 22]. Дослщження цих напружень значно усклад-неш, тому що вони ур1вноважен1 в мшро-скотчних об'емах цементно! матриц бетону. Розвиток мшротрщин кристатзацп в бетош не спостертаеться. Це, вочевидь, можна пояснити капшярно-пористою будовою цементно! матрищ. Бшьш того, юнуе думка [15, 17] про корисшсть напружень кристатзаци, що полшшують мщшсть спайки спонтанно зростаючих новоутворень. Очшувати р1зких вщмшностей напруженого стану тверднучого гелю в р1зних умовах не доводиться через можливосп релаксацп напружень при деформацп пор матер1алу [18].
Ще у 1980 р. Т. Гансен [3] встановив, що перш1 трщини в бетош з'являються у вщ декшькох д1б, у той час як теоретичний перюд трщиноутворення повинен був становити 5 тижшв. У цьому ж огляд1 було встановлено, що утворення трщин залежить не тшьки вщ величини усадки, але i вщ ф1зико-механ1чних властивостей бетону. Трщиностшюсть у бiльшiй мiрi визначалася природою заповнювача. Заповнювачi велико! пружност сприяли розвитку трiщиноутворення. За даними [4, 5] розтягуючi напруження в бетош вщ усадки цементного каменю становлять 4,0...5,0 МПа. Величина цих напружень, обчислена авторами [14, 23], становить 12-16 МПа, тобто перевищуе мщшсть матерiалу на розтяг. О.Я. Берг [2], який також дослщжував усадковi напруження, встановив, що усадка, щентична охолодженню бетону на 70 оС, викликае напруження, близькi до вказаних.
У монол^ному бетонi природного тверднення важливу роль вiдiграють два види власних напружень:
а) напруження першого роду вщ градiентiв температурно-волопсних деформацiй по перерiзу елементiв характеризуются певною орiентацiею залежно вiд геометричних обришв конструкцiй [1, 6]. Напруження першого роду часто називають мехашчними, оскiльки вони визначаються методами теори пружностi;
б) структурнi напруження другого роду вщ температурно-вологiсних деформацiй в аш-зотропнiй структурi бетону [1, 6]. Напруження другого роду певним чином орiентованi
вiдносно поверхнi частинок заповнювача. Для !х визначення, крiм теори пружносп i плас-тичностi, необхщний також аналiз структури матерiалу.
Вочевидь, що поля цих напружень дуже рiзнi, але безсумшвне !х взаемне накладення i спiльний вплив на суцшьнють конструкцiй i релаксацiю напружень у чась Мщшсть i деформатившсть бетону залежать в основному вщ напружень першого i другого роду, тому критерш трiщиноутворення бетону необхщно визначати вiд !х спшьно! дi! з урахуванням вiку матерiалу i зони конструкцi! [3]. Бшьш того, при розглядi пружно! задачi розвитку трiщиноутворення в бетонних елементах вважаеться справедливою аддитив-шсть напружень першого i другого роду.
Як вщомо, бетон е пружно-пластичним матерiалом [4, 5], i ця передумова справедлива лише частково. У будь-якому випадку, у виникненш трщин велику роль вiдiграють пластичнi властивосп бетону. У зв'язку з поступовою змiною в часi вологiснi деформацп розвиваються монотонно. Через !х тривалий розвиток напруження, якi вик-ликаються ними, значно релаксують у чаш [2]. Таким чином, прояв пластичних властивостей бетону тут найповнiший.
Мета
Метою роботи е дослщження напруженого стану модифшованого монолiтного бетону природного тверднення. Завдання дослщження полягае в запобтанш виникненню техно-логiчних трщин в конструкщях вiд тем-пературно-усадкових деформацiй бетону в про-цес його тверднення.
Методика
Для досягнення поставлено! мети виконаш дослiдження формування мiкроструктури модифiковано! цементно! матрицi бетону з визначенням мехашзму зниження трщино-утворення; визначенi методи надiйно! оцшки деформативних характеристик бетону.
Результати
Розвиток внутрiшнiх напружень по^зному впливае на властивостi бетону. При наростанш температурно-усадкових деформацiй у чаш
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
i, отже, при збшьшенш структурних напружень у цементнiй оболонщ навколо зерен заповнювача можуть розвиватися два протилежних процеси: зона пластичного плину або зона трiщин.
Можливють будь-якого з процесiв залежить вщ мiцностi i пружних характеристик матерiалу. Використовуючи теорiю мiцностi матерiалу [3-5], умова утворення пластично! зони навколо зерна заповнювача запишеться у виглядi
VA(t) < KR
Tmax 1+V 1 - V
(1)
K2
Умову початку утворення зони трщин запишемо, використовуючи залежшсть Фере для мiцностi бетону на розтяг [2]
gt =
(1 + 2V )• 0,5 -AE (t) = 1
1 + V 1 - V
(2)
K1 K2
Звiдси виразимо залежнiсть AE :
а) з умови утворення пластично! зони -
AE„„ =
Kn • R 2 V
(1 + V 1 - V л
V K1
K
2 /
б) з умови утворення зони трщин -
AEm, = # I K
V K1
K
(3)
(4)
2
2 •( p )
d r
= 0
(5)
Для зони трщин при cT = 0 тсля
роздiлення змiнних воно набуде вигляду
d с p =-2 dr
с p r
(6)
1нтегруючи одержане рiвняння у межах a < r < rT , де rT - радiус зони трiщин, знайдемо
H
lnс =-2lnr + lnH . Звiдси с = —2. Викорис-
r
товуючи граничнi умови, визначимо довшьну постiйну iнтегрування при r = a, с = сpa .
Звiдси, враховуючи a = —; H = -
оста-
d2
точно с r = с
pa 4 2 . Р1вняння справедливе лише
у межах зони трщин.
Радiальнi напруження на меж пружно! зони i зони трщин рiвнi мiж собою, а тангенщальш напруження при r = rT у границi рiвнi мщносп матерiалу на розтяг у даний момент часу t: сT (t) = Rp (t) . З ще! умови можна визначити радiус зони трiщин
(
V •
с
(т) = -
r3 > 1+
П3 d3
AE(t)
2
3
П3 d3
x(1 + 0,5 q>t)
1 + V 1 - V
= Rp
(7)
V K1
K
2 /
Вочевидь, для позитивних температур граничш деформаци трiщиноутворення завжди значно менше деформацiй пластичного плину. В област нереальних складiв бетону при V> 0,8 можливий прояв пластичного плину при низьких значеннях RK, тому в подальшому слiд розглядати лише умову трщиноутворення як найбшьш ймовiрний наслiдок об'емних деформацiй бетону.
Рiвняння рiвноваги для сферичного елемента, видшеного з оболонки навколо заповнювача, мае вигляд [5]
Тут прийнято b = п • d. При цьому коефiцiент п може бути визначений за величиною вщносного вмiсту заповнювача
в одиницi об'ему бетону V : п = —.
2-W
Радiус зони трщин навкруги заповнювача дорiвнюе
rT = — X T 2
AEt
1 i> 1 + V) + K2-(1 - V) -AEt-V J
(8а)
де r - радiус оболонки елемента.
2
2
X
Наука та npo^ec тpaнcпopтy. Bicник Днiпpoпeтpoвcькoгo нaцioнaльнoгo yнiвepcитeтy зaлiзничнoгo тpaнcпopтy, 2016, № 6 (66)
З oдepжaнoï фopмyли виднo, щo poзмip зoни тpiщинoyтвopeння збiльшyeтьcя зi збiльшeнням poзмipy чacтинoк зaпoвнювaчa (d) i дeфopмaцiй AE (t). Затежнють (8a) мoжнa OTpocrara,
• Rp
прийнявши, наприклад, К =К i = ER
d 2V
AE(t )
4ER (1 + 0,5фt)-2AE(t)■¥
(86)
Bикoнaeмo aнaлiз paдiaльних i танген-цiaльних нaпpyжeнь y пружнш зoнi oбoлoнки зaпoвнювaчa.
У тeopiï пpyжнocтi poзглянyтo задачу пpo нaпpyжeний cтaн в ocecимeтpичних тiлaх, з я^' вiдoмo:
E p = ^ = - Ц + B,
dr r
E p = U = A + B,
r r
о „ =
E1
p 1 -ц,-2Ц
, = E,
1 -Ц,-2Ц
о„ =-
E,
1-Ц,-2Ц
2 A
[ r3
E1 ■ A
1-Ц --Ц- [ r3
- 2a- ■( - 2ц, ) + B (1 + ц )
r
A ■(! - 2ц ) + B (1 + ц )
А3). Для цьoгo викopиcтoвyютьcя yмoви piвнocтi на стику кoжнoгo шару eлeмeнтa paдiaльних зcyвiв (96) i нaпpyжeнь (11а) у виглядi
U = Ar + Br'2, оp = 3KA- K■ Br'3, (12)
дe K - oб'eмний мoдyль пpyжнocтi мaтepiaлy давдго шару; X - пapaмeтp пoпepeчнoï пpyжнocтi.
Haвeдeнi piвняння cпpaвeдливi лишe у шарах eлeмeнтa вiльних трщин. Для зoни тpiщин, дe пpиймaeтьcя yмoвa от = 0, визнaчимo нoвi iнтeгpaльнi фopми piвнянь (12) з наступних yмoв.
При от = 0 iз зaгaльнoгo затону Гука cлiдye:
(9а) (96)
о о
E p = — a6o Ет = -ц— p Е т E
(13)
дe U - paдiaльнe змiщeння дaнoï тoчки eлeмeнтa.
Haпpyжeння в poзчиннiй oбoлoнцi, викopиcтoвyючи yзaгaльнeний зaкoн Гука, дopiвнюють:
Bиpaзивши paдiaльнy дeфopмaцiю чepeз
• E dU й пepeмiщeння Er =-, знaвдeмo:
dr
dU E
о p = 17E.
(14)
[2ц,Ет +(1 -Ц)Ep,], (10a) [Ет +Ц E p ]. (106)
Oдepжaнa зaлeжнicть оp вiд U, a татож
piвняння piвнoвaги (5), дoзвoляють зaпиcaти piвняння cпiльнocтi дeфopмaцiй на дшянщ мiж тpiщинaми:
l2U 2 dU n - +---= 0.
dr r dr
(15)
Пщставляючи в piвняння (10) знaчeння вiднocних дeфopмaцiй з (9), oтpимaeмo
Iнтeгpyвaння oтpимaнoгo дифepeнцiйнoгo piвняння другого горядку пpизвoдить дo зaлeжнocтi:
U = A + Br_1.
(16)
, (11a) . (116)
Для oпиcy влacтивocтeй мaтepiaлy, eквiвaлeнтнoгo пpийнятiй cтpyктypнiй мoдeлi, нeoбхiднo знайти шм пocтiйних iнтeгpyвaння, дiйcних для кoжнoгo шару (А, В, Ах, Вх, А2, В2,
Для вiдшyкaння A i B нeoбхiднo в давдму визначнику зaмiнити вiдпoвiднo терший i другий cтoвпцi пpaвoю чacтинoю piвнянь.
Kmax визнaчeнo з фopмyли, oдepжaнoï з yмoви, щo гт = a
К =
K1K2
K--(( - K- )■ V
(17)
X
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
При V = 0 Ктах = К1, а при V = 1,0 об'емно! пружносп заповнювача \ розчину
Ктах = К2 .
Постшш штегрування А { В дозволяють виршувати цшу низку завдань. Вирази для визначення постшних при елементарних спрощень мають вигляд:
гт = 0 тсля
А = - а у-3Ь3-(1 - V )/К1 - V /• К2
в = -3 ау Ь3 • — у К
(18)
3V [ДЕ]
(1 + V 1 - V л
=
(19)
К,
К
5
2
Я = 1 + 0,5 ф(
(20)
тут - характеристика повзучост1,
приймаеться для термшу тверднення бетону 28 д1б р!вною ф = 2,0 .
Визначимо величину тангенщальних напружень як функщю об'емного насичення бетону крупним заповнювачем
3^ Ер-К V• (1 -V) 2-Я-[(1 -V)nV]х :
х[(1 + V )п + (1 -V )]
(21)
де Ер - усадкова деформащя розчинно! оболонки бетону; п - вщношення модул1в
п = -
К
К
1 /
Використовуючи щ значення в р!внянш (11) спшьно з критер1ем трщиностшкосп, а також залежшсть (17), можливо обчислити умови збереження суцшьносп матер1алу, що залежать вщ величини граничних усадкових деформацш бетону.
Запишемо р1вняння тангенщальних напружень для випадку повного розкриття трщини в розчиннш оболонщ гт = Ь, а ДЕу виразимо через граничну усадку розчину
{ об'емне насичення бетону крупним заповнювачем. Тод1 дшсш тангенщальш напруження з урахуванням !х релаксацп дор1внюватимуть
Для цього необхщно визначити похщну йа/с1¥ I прир1вняти И нулю. Однак, оскшьки в загальному вигляд! похщне р1вняння досить гром1здке, то це складне становище можна обшти, даючи величинам п певне значення 1 диференщюючи конкретне р1вняння при даному значенш п. Наприклад, при п=1 тангенщальш напруження дор1внюють
3 • Е „-К2 ат =—V-(1 - V).
4-5
Таким чином,
й а = 3 •Е р'К2
dV
45
•(1 - 2V ) = 0,
звщки при п = 1Уапт = 0,50; аналопчно
де 5 - функщя релаксацп внутршшх напружень, р1вна для терм1ну тверднення 28 д1б
п = 2; ^ = 0,38.
Наукова новизна та практична значимкть
1. Встановлено, що комплекс структурних особливостей модифшованого бетону при передач! навантаження призводить до формування широко! зони передруйнування, здатно! поглинати значний об'ем пружно! енерг!! деформац!!, що забезпечуе отримання проектних деформативних властивостей бетону спец!ального призначення.
2. Отримали подальший розвиток уявлення про визначення критерда тр!щиноутворення модиф!кованого бетону, що твердне у природних умовах.
Отримаш р!вняння дозволяють виршити питання про м!н!мальний р!вень структурних напружень у монол!тному бетон! при певному насиченш його крупним заповнювачем, а також ощнити вплив структурних напружень на властивосп бетону. Це дозволить виршити низку технолопчних завдань при зведенн! монол!тних буд!вель.
Висновки
1. У звичайних бетонах з вщносно тонкою цементною оболонкою при температурно-усадкових деформац!ях виникають висок!
2
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
тангенщальш i невеликi радiальнi напруження. У природних умовах щ напруження вище в результатi шдвищення значень Ав(т), чого не спостер^аеться у модифiкованих бетонах.
2. У модифшованих бетонах найбiльшу небезпеку для структури становлять лише тангенцiальнi напруження.
3. Змша усадкових напружень у чаш мае однозначний характер. Сумарш температурно-усадковi деформацп мають пилкоподiбний графiк. Для модифiкованого бетону ампл^уда коливань на 48-53 % менше.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Баженов, Ю. М. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю. М. Баженов
B. С. Демьянова, В. И. Калашников. - Москва : АСВ, 2006. - 368 с.
2. Берг, О. Я. Физические основы теории прочности бетона / О. Я. Берг. - Москва : Стройиздат, 1981. - 290 с.
3. Гансен, Т. Ползучесть и релаксация напряжений в бетоне / Т. Гансен. - Москва : Стройиздат, 1980. - 169 с.
4. Нильссен, Л. Дж. Ударное нагружение бетонных конструкций : [пер. с англ.] / Л. Дж. Нильссен. - Москва, 1989. - 171 с.
5. Пирадов, К. А. Механика разрушения железобетона / К. А. Пирадов, Е. А. Гузеев. -Москва : Новый век, 1998. - 190 с.
6. Рабинович, Ф. Н. Композиты на основе дисперсноармированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции / Ф. Н. Рабинович. - Москва : АСВ, 2004. - 560 с.
7. Руденко, Д. В. Бетон на основ1 дисперсно модифшовано! цементно!' системи / Д. В. Руденко // Наука та прогрес транспорту. -2016. - № 4 (64). - С. 169-175. doi: 10.15802/stp2016/78008.
8. Руденко, Д. В. Ф1зико-х1м1чна модифь кащя цементно!' системи монолитного бетону / Д. В. Руденко // Наука та прогрес транспорту. -2015. - № 6 (60). - С. 174-182. doi: 10.15802/stp2015/57103.
9. Руденко, Д. В. Технолопя модифжованих бетошв для монолггаих споруд / Д. В. Руденко // Ефективш оргашзацшно-технолопчш ршення та енергозбер1гаюч1 технологи в буд1вницта : матер1али VI М1жнар. наук.-практ. конф. / Харшв. нац. ун-т буд-ва та архггектури. - Харшв, 2016. -
C. 90-91.
10. Руденко, Д. В. Модифжоваш бетони для висотних споруд / Д. В. Руденко // Ефективш технологй в буд1вницта : матер1али м1жнар. наук.-техн. конф. / Ки!в. нац. ун-т буд-ва та архггектури. - Ки!в, 2016. -С. 107-108.
11. Хердтл, Р. Долговечность бетонов на основе многокомпонентных цементов / Р. Хердтл, М. Дитерманн, К. Шмидт // Цемент и его применение. - 2011. - № 1. - С. 76-80.
12. Collepardi, M. Innovative Concretes for Civil Engineering Structures: SCC, HPC and RPC / M. Collepardi // Workshop on New Technologies and Materials in Civil Engineering : Proc. - 2003.
- P. 1-8.
13. Derucher, K. M. Composite materials: Testing and Design / K. M. Derucher. - New Orleans ; Philadelphia, 2009. - 697 p.
14. Hanehara, S. Rheology and early age properties of cement systems / S. Hanehara, K. Yamada // Cement and Concrete Research. - 2008. - Vol. 38.
- Iss. l. - P. 175-195. doi: 10.1016/j. cemconres.2007.09.006.
15. Lee, C. Y. Strength and micro structural characteristics of chemically activated fly ash-cement systems / C. Y. Lee, H. K. Lee, K. M. Lee // Cement and Concrete Research. - 2003. -Vol. 33. - Iss. 3. - P. 425-431. doi: 10.1016/S0008-8846(02)00973-0.
16. Microcracking of Plain Concrete and the Shape of the Stress Strain Curve / T. T. C. Hsu, F. O. Slate,
G. Sturman, G. Winter // Intern. Concrete Abstracts Portal. - 1963. - Vol. 60. - Iss. 2. -P. 209-224. doi: 10.14359/7852.
17. Middendorf, B. Nanoscience and nanotechno-logy in cementitious materials / B. Middendorf, N. B. Singh // Cement International. - 2006. -№ 4. - P. 80-86.
18. Neville, A. M. Wlasciwosci betonu / A. M. Neville. - Crakow : Polski Cement, 2000. - 874 p.
19. Rudenko, D. Properties of the phase components of the modified cement system / D. Rudenko // TEKA Kom. Mot. I Energ. Roln. - 2013. - T. 13, № 4. - P. 218-224.
20. Rudenko, N. The Development of Conception of New Generation Concretes / N. Rudenko // TEKA Kom. Mot. I Energ. Roln. - 2010. - T. 10B. -P. 128-133.
21. Rudenko, N. Technology of shotcreting based on activated binder / N. Rudenko // TEKA Kom. Mot. i Energ. Roln. - 2014. - T. 14, № 1. -P. 222-228.
22. Santiago, S. D. Fracture Mechanism of Concrete under Compressive Loads / S. D. Santiago,
H. K. Hilsdorf // Cement and Concrete Research.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
- 1973. - Vol. 3. - Iss. 4. - P. 363-388. doi: 10.1016/0008-8846(73)90076-8. 23. Willis, J. R. Elasticity theory of composites / J. R. Willis. // Mechanics of Solids. - 1982. - The
A. B. Py^EHKO1*
Rodney Hill 60th Anniversary Volume. - P. 653686. doi: 10.1016/B978-0-08-025443-2.50025-2.
1 Каф. «Городское строительство и хозяйство», Запорожская государственная инженерная академия, пр. Соборный, 226, Запорожье, Украина, 69006, тел. +38 (098) 214 04 85, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-0827-042X
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО МОНОЛИТНОГО БЕТОНА
Цель. Статья посвящена исследованию напряженного состояния модифицированного монолитного бетона естественного твердения. Методика. Для достижения поставленной цели проведены исследования микроструктуры модифицированной цементной матрицы бетона, механизма структурообразования модифицированного бетона естественного твердения; определены методы надежной оценки прочности бетона. Результаты. Развитие внутренних напряжений по-разному влияет на свойства бетона. При нарастании температурно-усадочных деформаций во времени и, следовательно, при увеличении структурных напряжений в цементной оболочке вокруг зерен заполнителя могут развиваться два противоположных процесса: зона пластического течения или зона трещин. Научная новизна. Установлено, что комплекс структурных особенностей модифицированного бетона при передаче нагрузки приводит к формированию обширной зоны предразрушения, способной поглощать значительный объем упругой энергии деформации, что обеспечивает получение проектных деформативных свойств бетона специального назначения. Получили дальнейшее развитие представления об определении критерия трещинообразования модифицированного бетона, твердеющего в естественных условиях. Практическая значимость. Полученные уравнения позволяют решить задачу о минимальном уровне структурных напряжений в монолитном бетоне при определенном насыщении его крупным заполнителем, а также оценить влияние структурных напряжений на свойства бетона. В обычных бетонах с относительно тонкой цементной оболочкой при температурно-усадочных деформациях возникают высокие тангенциальные и небольшие радиальные напряжения. В естественных условиях эти напряжения выше в результате повышения значений Де(х), чего не наблюдается в модифицированных бетонах. В модифицированных бетонах наибольшую опасность для структуры представляют только тангенциальные напряжения. Изменение усадочных напряжений во времени имеет однозначный характер. Суммарные температурно-усадочные деформации имеют пилообразный график. Для модифицированного бетона амплитуда колебаний на 48... 53 % меньше. Это позволит решить ряд технологических задач при возведении монолитных зданий.
Ключевые слова: модифицированный бетон; монолитный бетон; напряженное состояние; деформативные характеристики
D. V. RUDENKO1*
1 Dep. «Urban Construction and Management», Zaporizhzhia State Engineering Academy, Lenin Av., 226, Zaporizhzhia, Ukraine, 69006, tel. +38 (098) 214 04 85, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-0827-042X
RESEARCH OF THE STRESS STATE OF A MODIFIED IN-SITU CONCRETE
Purpose. The article focuses on investigation of the stress state of a modified in-situ concrete of natural hardening. Methodology. To achieve the aim, the research of the microstructure of the modified cement matrix of concrete, as well as the mechanism of structure formation of modified concrete with natural hardening was conducted; the methods for reliable evaluation of concrete strength were defined. Findings. The development of internal stresses affects the properties of concrete differently. With an increase in temperature-shrinkage deformations in time and, thus, with increasing structural stresses in the cement sheath around the grains of the filler two opposite processes may develop: zone of plastic flow or cracking. Originality. It was established that the
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^mnponeTpoBctKoro Ha^oH&ntHoro ymBepcureTy 3&ni3HHHHoro TpaHcnopTy, 2016, № 6 (66)
structural features complex of the modified concrete when the load transfer leads to the formation of extensive zones of prefracture which is able to absorb a significant amount of elastic strain energy that provides the design deformation properties of the concrete for special purposes. Ideas about the definition of the criteria of cracking modified concrete, hardening under natural conditions had further development. Practical value. The resulting equations allow to solve the problem about the minimum level of structural stress in monolithic concrete in a saturated large placeholder, as well as to assess the influence of structural stresses on the properties of concrete. In normal concrete with a relatively thin cement sheath at temperature-shrinkage deformations, high tangential and low radial tension occur. In vivo, this stress is higher as a result of higher values of Ae(x), which is not observed in the modified concrete. In the modified concretes only tangential stresses are the greatest danger to structures. The change of shrinkage stress with time is straightforward. The total temperature-shrinkage deformations have a sawtooth graph. For modified concrete the amplitude is 48... 53% less. This will allow solving a number of technological challenges in the construction of monolithic buildings.
Keywords: modified concrete; in-situ concrete; stress state; deformation characteristics
REFERENCES
1. Bazhenov Yu.M., Demyanova V.S., Kalashnikov V.I. Modifitsirovannyye vysokokachestvennyye betony [Modified high-quality concretes]. Moscow, ASV Publ., 2006. 368 p.
2. Berg O.Ya. Fizicheskiye osnovy teorii prochnosti betona [Physical foundations of the theory of concrete strength]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1981. 290 p.
3. Gansen T. Polzuchest i relaksatsiya napryazheniy v betone [Creep and stress relaxation in concrete]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1980. 169 p.
4. Nilssen L.Dzh. Udarnoye nagruzheniye betonnykh konstruktsiy [Shock loading of concrete structures]. Moscow, 1989. 171 p.
5. Piradov K.A., Guzeyev Ye.A. Mekhanika razrusheniya zhelezobetona [Fracture mechanics of concrete]. Moscow, Novyy vek Publ., 1998. 190 p.
6. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersnoarmirovannykh betonov. Voprosy teorii i proyektirovaniya, tekhnologiya, konstruktsii [Composites based on fiber reinforced concrete. Questions of the theory and design, technology, construction]. Moscow, ASV Publ., 2004. 560 p.
7. Rudenko D.V. Beton na osnovi dyspersno modyfikovanoi tsementnoi systemy [Concrete based on modified disperse cement system]. Nauka taprohres transportu - Science and Transport Progress, 2016, no. 4 (64), pp. 169-175. doi: 10.15802/stp2016/78008.
8. Rudenko D.V. Fizyko-khimichna modyfikatsiia tsementnoi systemy monolitnoho betonu [Physico-chemical modification of monolithic concrete cement system]. Nauka ta prohres transportu - Science and Transport Progress, 2015, no. 6 (60), pp. 174-182. doi: 10.15802/stp2015/57103.
9. Rudenko D.V. Tekhnolohiia modyfikovanykh betoniv dlia monolitnykh sporud [Technology of modified concrete for monolithic structures]. Materialy VI Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii «Efektyvni orhanizatsiino-tekhnolohichni rishennia ta enerhozberihaiuchi tekhnolohii v budivnytstvi» [Proc of VIth Intern. Sci. and Practical Conf. «Effective organizational and technological solutions and energy saving technologies in construction»]. Kharkiv, 2016, pp. 90-91.
10. Rudenko D.V. Modyfikovani betony dlia vysotnykh sporud [Modified concrete for high-rise buildings]. Materialy Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii «Efektyvni tekhnolohii v budivnytstvi» [Proc. of Intern. Sci. and Practical Conf. «Efficient technologies in construction»]. Kyiv, 2016, pp. 107-108.
11. Kherdtl R., Ditermann M., Shmidt K. Dolgovechnost betonov na osnove mnogokomponentnykh tsementov [Durability of concrete based on multicomponent cements]. Tsement i yego primeneniye - Cement and its Applications, 2011, no. 1, pp. 76-80.
12. Collepardi M. Innovative Concretes for Civil Engineering Structures: SCC, HPC and RPC. Workshop on New Technologies and Materials in Civil Engineering: Proc., 2003, pp. 1-8.
13. Derucher K.M. Composite materials: Testing and Design. New Orleans-Philadelphia, 2009. 697 p.
14. Hanehara S., Yamada K. Rheology and early age properties of cement systems. Cement and Concrete Research, 2008, vol. 38, issue l, pp. 175-195. doi: 10.1016/j.cemconres.2007.09.006.
15. Lee C.Y., Lee H.K., Lee K.M. Strength and micro structural characteristics of chemically activated fly ash-cement systems. Cement and Concrete Research, 2003, vol. 33, issue 3, pp. 425-431. doi: 10.1016/S0008-8846(02)00973-0.
16. Hsu T.T.C., Slate F.O., Sturman G., Winter G. Microcracking of Plain Concrete and the Shape of the Stress Strain Curve. Intern. Concrete Abstracts Portal, 1963, vol. 60, issue 2, pp. 209-224. doi: 10.14359/7852.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)
17. Middendorf B., Singh N.B. Nanoscience and nanotechnology in cementitious materials. Cement International, 2006, no. 4, pp. 80-86.
18. Neville A.M. Wlasciwosci betonu. Crakow , Polski Cement Publ., 2000. 874 p.
19. Rudenko D. Properties of the phase components of the modified cement system. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 2013, Vol. 13, No. 4, pp. 218-224.
20. Rudenko N. The Development of Conception of New Generation Concretes. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 2010, vol. 10B, pp. 128-133.
21. Rudenko N. Technology of shotcreting based on activated binder. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 2014, Vol. 14, No. 1, pp. 222-228.
22. Santiago S.D., Hilsdorf H.K. Fracture Mechanism of Concrete under Compressive Loads. Cement and Concrete Research, 1973, vol. 3, issue 4, pp. 363-388. doi: 10.1016/0008-8846(73)90076-8.
23. Willis J.R. Elasticity theory of composites. Mechanics of Solids, 1982, The Rodney Hill 60th Anniversary Volume, pp. 653-686. doi: 10.1016/B978-0-08-025443-2.50025-2.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. В. А. Банахом (Украта), д.т. н., проф.
М. I. Нетесою (Украта)
Надшшла до редколегп: 08.09.2016
Прийнята до друку: 07.12.2016
