Методика расчета предельных температурных градиентов в железобетонных изделиях в процессе электротепловой обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.328:666.015.45

С.В. ФЕДОСОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, Ивановский государственный архитектурно-строительный университет (ИГАСУ); В.И. БОБЫЛЕВ, ООО «ДСК Инвест+»; А.М. ИБРАГИМОВ, д-р техн. наук, ИГАСУ; А.М. СОКОЛОВ, канд. техн. наук, Ивановский государственный энергетический университет (Иваново)

Методика расчета предельных температурных градиентов в железобетонных изделиях в процессе электротепловой обработки

Тепловая обработка бетона прочно занимает свое место в технологическом процессе производства широкого спектра изделий на предприятиях сборного железобетона и крупнопанельного домостроения. За счет значительного ускорения набора прочности бетона она позволяет существенно повысить производительность и технико-экономические показатели производственного процесса [1]. Обратной стороной этой обработки является неизбежное появление неоднородных температурных полей в объеме обрабатываемого изделия, которые создают внутренние механические напряжения и могут вызвать в бетоне необратимые структурные изменения, недопустимое снижение его прочности [2]. Это обстоятельство привело к появлению достаточно жестких ограничений на предельные значения скорости разогрева и охлаждения изделия при тепловой обработке [1]. Однако непосредственной причиной возможных отрицательных последствий тепловой обработки является возникновение температурных градиентов в объеме материала, величина которых может быть достоверно определена теоретическими методами [2]. Поэтому существует настоятельная потребность в разработке методов расчетной оценки предельных температурных градиентов, что необходимо для квалифицированного конструирования технологического оборудования и выбора режимов его работы. Это особенно актуально для электротепловой обработки бетона, которая позволяет значительно снизить неоднородность температурных полей и обеспечивает возможность управления ими [1, 3].

Для решения поставленной задачи целесообразно воспользоваться теоретическими представлениями о возникновении объемно-напряженного состояния увлажненного материала при сушке, предложенными А.В. Лыковым [4]. При этом можно предположить, что причиной такого состояния может быть не только массо-(влаго)перенос, но и теплоперенос [2]. Эту ситуацию можно представить с помощью рис. 1, где показано в поперечном сечении плоское изделие при

Д//2

l

наличии разности температур его верхней Ттах и нижней поверхностей Ттпп< Ттах и одномерного температурного поля по толщине материала, показанного там же (полагаем линейный закон изменения температуры). В этом случае возникает температурный градиент:

gradT

ах

-Т

тш

(1)

и теплоперенос за счет теплопроводности в соответствии с направлением градиента.

Предположим, что изделие состоит из большого числа тонких слоев (полосок) толщиной Ах, каждый из которых имеет свое значение температуры Ть Т2 и т. д. в соответствии с графиком ее изменения по толщине (рис. 1). Как известно, при нагревании твердого тела до температуры Т его удлинение равно:

М = а,1(Т-Т0) = аг1Т, (2)

где о- — коэффициент линейного расширения; I — длина тела при температуре Т0 =0оС (рис. 1). Если бы слои, из которых состоит изделие, расширялись независимо друг от друга, то они имели бы различную величину удлинения в соответствии с температурой каждого слоя:

Alj Д/2 =

: at l Tj , «t l T2

(3) и т. д.

В действительности два соседних слоя в месте соединения будут иметь одинаковое удлинение, соответствующее средней температуре Тср = (Т1 + Т2)/2, которое будет определяться соотношением:

Д/„

(4)

-„ , т -^ ¡ (Т.+Т,)

'''-'с?- 2

В результате возникает недопущенное [4] удлинение для верхнего (первого) слоя и избыточное удлинение для нижнего (второго) слоя (рис. 1), которые с учетом (3), (4) могут быть оценены по формуле:

, Ax

Y

>T

h —

Рис. 1. Схема возникновения объемно-напряженного состояния материала

T

m ax

2

h

T

x

научно-технический и производственный журнал fj- r ^ г у p^j-j • ■

44 март 2011 ^НЗ^ШЛУ"

. л, А, ,Т.-Тг АТ ега(1ТАх А = А/1-А/„=о,- = = --(5)

Для верхнего слоя возникает деформация сжатия, а для нижнего — деформация растяжения, что приводит к появлению в материале внутреннего напряжения сдвига.

Поскольку температура T и удлинение А/ изменяются по высоте изделия, боковые поверхности изделия приобретают наклон под углом сдвига у (рис. 1). Поскольку для бетона этот угол может иметь очень малые значения, его величину можно определить из рис.1 и с учетом (5) по формуле:

А =<у<-уии/Г (6)

1 2-Лх 4 ' w

Как известно, напряжение сдвига связано с углом сдвига следующим соотношением:

о,=С-у, (7)

откуда

(8)

— это такое напряжение, в пределах которого наблюдается упругая деформация бетона, а многократное нагру-жение материала не приводит к снижению его прочности. Превышение этого граничного значения приводит к появлению микроразрушений в объеме материала, а многократные нагружения вызывают постепенное снижение прочности. Величину этого параметра можно определить с помощью эмпирической формулы [6]:

о°=(0,351вЧж -0,15)-^. (12)

Второй параметр ст^ > а0, представляет собой другое граничное значение, превышение которого приводит к выраженным и быстронарастающим разрушениям структуры бетона, сопровождающимся псевдопластическими деформациями. В результате этого материал становится практически непригодным для дальнейшего использования. Величину этого параметра также можно оценить с использованием эмпирической формулы [6]:

о! = (0,35-^0« +0,175)-ств

(13)

где G = 0,4Е — модуль сдвига [5]; Е — модуль упругости.

Анализ формул (6) и (7) с учетом рис. 1 позволяет заключить, что при одинаковой величине градиента температуры внутренние напряжения достигают наибольшей величины на поверхности края изделия и в направлении наибольшего размера (I). Это подтверждается наблюдаемым на практике соответствующим характером и местом разрушений плоских железобетонных изделий при многолетней эксплуатации вне помещений (бетонные козырьки над входом в здание, балконы и др.). Разрушение происходит из-за многократных воздействий внутренних напряжений вследствие температурных градиентов при нагреве и охлаждении материала по причине суточных и сезонных колебаний температуры в сочетании с другими факторами.

Приравняв левые части уравнений (6) и (8) после преобразований получаем формулу для определения предельного температурного градиента:

,„ 4-о7 10-о» (9)

gradт^GtrrË:^, (9)

где стптр — прочность материала при сдвиге, которая для бетона связана с прочностью при сжатии, т. е. важнейшим свойством этого материала, следующим соотношением (формулой Фере) [5]:

оГ=6,44.р.^Д (10)

здесь в =0,08 для бетона класса по прочности до В25 включительно и в =0,07 для бетона класса В30 и выше.

После подстановки (10) в (9) получаем:

ат =64,4-Р-^7. (П)

* Еа,1

Формула (11) позволяет сделать вывод, что для бетона предельный температурный градиент зависит в основном от двух факторов: прочности бетона при сжатии стсж и размера железобетонного изделия /.

Вместе с тем нетрудно заметить, что формула (11) позволяет определять лишь такое значение предельного температурного градиента, достижение и превышение которого неизбежно влечет за собой разрушение материала. Этого явно недостаточно для выбора безопасных режимов тепловой обработки бетона, так как хорошо известно, что необратимые структурные изменения в материале наступают уже при напряжениях значительно меньшей величины, чем стсж [5, 6].

Для корректной оценки опасности температурных градиентов целесообразно использование в формуле (11) двух характерных параметров диаграммы напряженного состояния бетона ст0 и ст^ [6]. Первый их них ст0

Заменяя стсм в формуле (11) выражениями (12) и (13) для ст0 и стГ, получаем соотношения, позволяющие определять величину температурных градиентов, при которых внутренние напряжения материала достигают этих граничных значений:

Еа,1

(14)

gradTl =

(22,54-lgqgB+ll,27)-p-^

(15)

Еа,1

Другим важным вопросом является определение значений коэффициента линейного расширения а и модуля упругости Е в формулах (14) и (15). Если для предельных значений температуры тепловой обработки

grad T оС/см

Поверхность^

gradTlp °

grad T оС/см

Область 1,5 абсолютно опасных градиентов температурыХ 0,5

Область

абсолютно

опасных

градиентов

температуры

Поверхность

4035 _ 1,5^^5504540\ ^

2 2> 6555 ^

1.М

Рис. 2. Предельные градиенты температуры

научно-технический и производственный журнал

март 2011 45

бетона 80—90оС можно принять вполне определенное значение а = 10-5 1/оС, то второй параметр для тяжелых бетонов может колебаться в весьма широких пределах Е=(1,1 —4). 104 МПа под влиянием различных факторов (класс бетона, водоцементное отношение, марка цемента, виды и количество добавок, виды, соотношение и параметры наполнителей, температура и др.) [5, 6]. Для тяжелых бетонов при нагрузках в области упругой деформации модуль упругости (начальный) можно определять по эмпирической формуле [5, 6]:

(16)

(20+О

С учетом этого были выполнены расчеты предельных температурных градиентов по формулам (14) и (15), результаты которых представлены на рис. 2 в трехмерной системе координат в виде поверхностей §тайТ°,р=/(стсж, I) и gradTпр=/(стсж, I). При расчетах по формуле (14) значение модуля упругости определяли с использованием соотношения (16). При вычислениях по формуле (15) использовали постоянное и минимальное значение Е=1,1-104 МПа, соответствующее нагрузкам псевдопластической деформации, т. е. а > ст^ .

Практическое значение полученных результатов (рис. 2) с учетом условий вычислений можно объяснить следующим образом. Поверхность gradT0I¡р представляет собой верхнюю границу области абсолютно безопасныхзначений градиента температуры в материале gradT < gradT!р для любых видов и разновидностей тяжелого бетона. Наилучший режим тепловой обработки бетона и железобетонных изделий достигается в том случае, если температурные градиенты в объеме материала не выходят за пределы этой области на всех стадиях обработки. Поверхность gradTyщ> представляет собой нижнюю границу области абсолютно опасных значений градиента температуры

gradT > gradTyщ> для любого бетона. Появление градиентов, соответствующих этой области, обязательно повлечет недопустимое повреждение материала. Для области значений градиента температуры, находящихся между этими границами gradT0пр <gradTIр<gradTIр, нельзя сделать столь однозначные выводы, как в предыдущих случаях. В такой ситуации необходимо проведение индивидуального исследования с учетом особенностей и характеристик применяемых материалов (бетона и его составляющих), конструкции обрабатываемого изделия и параметров технологического процесса.

Ключевые слова: напряженное состояние, температурные деформации, тепловая обработка бетона и железобетона.

Список литературы

1. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / Под ред. Б.А. Крылова, С.А. Амбарцу-мяна, А.И. Звездова. М.: НИИЖБ, 2005.

2. Федосов С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии. Иваново: ПрессСто, 2010. 364 с.

3. Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин Ю.А., Соколов А.М., Закинчак Т.Н. Электротепловая обработка бетона токами различной частоты // Строит. материалы. 2010. № 6 . С. 4-7.

4. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.

5. Бондаренко В.М., Бакиров Р.О. и др. Железобетонные и каменные конструкции. М.: Высшая школа, 2007. 887 с.

6. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Т.Н. Высокопрочный бетон. М.: Изд. лит-ры по строительству, 1971. 208 с.

Активатор

«"Ч Ч-Ч' II.. .■.ИМ!-.^" (411 к ■

1« м

и »

¿г У

С.

.Ри^ч.^ и.и.

1«

Для прабатЛгсюоеки игл пп ври в ген

Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лабораторий.

Аьтнват-и р--^ М

Д-и киспв малгедолн и

У

Д.1Ц .-ирл&упли НР&шьишу ллр.тиь'

www.activator.ai»

НирсчОнрг-.СофлЛск^я 15. 107 ООО». »'А 141

Оак. 5 13651 "ГйП Э 913 5^2 91 е -

Реклама

46

научно-технический и производственный журнал

март 2011