CC BY
3проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2013. - №. 6.
7. Ахмедов И.Е., Ортитов И.А., Умаров И.И. Дарё узанидаги деформацион жараёнлаарни бах,олашда инновацион технологиялар [Innovative technologies in the assessment of deformation processes in the riverbed] // Фаргона политехника институти илмий-техника журнали. - Фаргона. - 2021. - Т.25, №.1. - С. 139-142.
8. Axmedov I.G'., Ortiqov I.A., Umarov I.I. Effects of water flow on the erosion processes in the channel of GIS technology // https://doi.org/10.5281/zenodo.5819579
9. Tadjiboyev S., Qurbonov X., Akhmedov I., Voxidova U., Babajanov F., Tursunova E., Xodjakulova D. Selection of Electric Motors Power for Lifting a Flat Survey in Hydraulic Structures // AIP Conference Proceedings 2432, 030114 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0089643
10. Abduraimova D., Rakhmonov R., Akhmedov I., Xoshimov S., Eshmatova B. Efficiency of use of resource-saving technology in reducing irrigation erosion // AIP Conference Proceedings 2432, 040001 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0089645
ОЦЕНКА ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННОГО МАССИВА
Ковшар Сергей Николаевич БНТУ к.т.н., доцент кафедры «Строительные материалы и технология строительства», г. Минск
Гущин Сергей Вячеславович
научный сотрудник Научно-исследовательской испытательной лаборатории бетонов и строительных материалов филиала БНТУ «Научно-исследовательский политехнический институт», г. Минск
Эралиев Боходир Абдурахмонович НамМКИ, тютор +998 33-301-72-01
Аннотация. Целью работы являлась разработка методики оценки термонапряженного состояния монолитных массивных сооружений. Объектом исследования являлись бетонная смесь и конструкционный бетон в массиве конструкции.
В процессе исследований изучена величина экзотермического разогрева и распределение температур внутри бетонного массива.
Разработана методика для расчета ожидаемой температуры бетона в массиве конструкции, распределения в ней температурных полей и оценки термонапряженного состояния конструкции.
Установлено, что безопасный с позиции трещинообразования уровень температуры бетона в массиве обеспечивается совокупностью технологических мероприятий и системой последующего ухода за твердеющим бетоном. Допустимая величина разности температур между ядром массива и боковыми поверхностями может быть принята от 15 до 25 0С; между ядром и открытой поверхностью конструкции не более 20 0С. Точные величины разности температур могут быть получены в результате расчета температурных полей и термонапряженного состояния бетонного массива. Для оценки вероятности образования трещин в бетонном массиве можно также использовать и величину градиента температур по сечению конструкции, которая не должна превышать 50 0С/м.
ABSTRACT The aim of the work was to develop a methodology for assessing the thermal stress state of solid monolithic structures.
The object of the study was concrete mixtures and structural concrete in the structure mass.
In the process of research, the value of exothermic heating and the distribution of
temperatures inside the concrete mass were studied.
A technique has been developed for calculating the expected temperature of concrete in the structure mass, the distribution of temperature fields in it and the assessment of the thermal stress state of the structure.
It has been established that a safe level of concrete temperature in the massif from the point of view of cracking is ensured by a combination of technological measures and a system of subsequent care for hardening concrete. The permissible value of the temperature difference between the core of the massif and the side surfaces can be taken from 15 to 25 0С; between the core and the open surface of the structure, no more than 20 ° C. The exact values of the temperature difference can be obtained by calculating the temperature fields and the thermally stressed state of the concrete mass. To assess the likelihood of cracking in a concrete mass, you can also use the value of the temperature gradient over the section of the structure, which should not exceed 50 0С / m.
Ключевые слова: бетон, экзотермия, температура, саморазогрев, удельное тепловыделение, температурные поля.
Keywords: concrete, exotherm, temperature, self-heating, specific heat release, temperature fields.
Введение. При возведении массивных конструкций одним из существенных воздействий является температурное воздействие, которое вызывает изменение напряженно-деформированного состояния сооружения, как в строительный, так и эксплуатационный периоды [1,2].
Температурный режим бетонного массивного блока формируется под воздействием многих факторов. К ним относятся: экзотермия цемента, состав бетона (расход цемента, водоцементнон отношение, наличие химических и минеральных добавок, влияющих на экзотермию цемента) и внешние факторы (температура воздуха, температура основания и опалубки, воздействие инсоляции, наличие ветра и его направление). Кроме того, на формирование температурного поля влияют множество технологических факторов: схема бетонирования, температура укладываемого бетона, толщина укладываемых бетонных слоев, интенсивность бетонирования, использование искусственного охлаждения бетонного массива и т.д.
В процессе возведения массива и интенсивного тепловыделения цемента происходит значительный нагрев внутренней зоны массива. В результате этого могут возникать большие температурные перепады, которые вызывают существенные растягивающие напряжения и приводят к трещинообразованию бетона наружных слоев конструкции [3].
Возникновение температурных трещин связано с температурными перепадами между центральной частью конструкции и слоями бетона её наружной поверхности. Допустимая величина разности температур между ядром массива и боковыми поверхностями может быть принята от 15 до 25 0С; между ядром и открытой поверхностью конструкции до 20 0С [4]. Точные величины разности температур могут быть получены в результате расчета температурных полей и термонапряженного состояния бетонного массива. Для оценки вероятности образования трещин в бетонном массиве можно также использовать и величину градиента температур по сечению конструкции, которая не должна превышать 50 0С/м [5].
ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И СОСТАВ БЕТОНА
В качестве вяжущего для приготовления бетонной смеси был выбран шлакопортландцемент (табл. 1). Выбор данного вяжущего был обусловлен снижением величины саморазогрева бетона за счет использования цемента с пониженной
экзотермией [6].
Таблица 1
__ Характеристики цемента___
Завод изготовитель Марка цемента (класс цемента) Активность цемента, МПа Вещественный состав * цемента, % Кнг Нсх, мин
2 сут 28 сут клинкерная часть* доменный шлак
ОАО «Белорусский цементный завод» ЦЕМ П/В-Ш 42,5Н 15,3 44,7 60.65 35.40 0,275 230
* Клинкерная часть с учетом (3.. .4) % содержания гипса.
В качестве крупного заполнителя для бетона использован гранитный щебень производства РУП «Гранит» фракции 5.20 мм 1-ой группы с прочностью, соответствующей марке по дробимости >1400 [6].
В качестве мелкого заполнителя использовали песок природный (мытый) по ГОСТ 8736-2014 с модулем крупности от 2,0 до 2,5 и с содержание пылевидных и глинистых частиц до 2 % по массе [6].
В качестве минеральной и химической добавки в бетон применяли соответственно микрокремнезем по СТБ БК 13263-1-2012 [6] с содержанием аморфного диоксида кремния не менее 85 % по массе, удельной поверхностью (по методу БЭТ) ~ 15,0 м2 и суперпластификатор «Линамикс ПК», представляющий собой смесь двух типов поликарбоксилатов с добавлением (в качестве замедлителя схватывания) натриевых солей лигносульфоната и гидроксикарбоновых кислот.
Для проведения исследований и выполнения необходимых расчетов был подобран следующий состав (табл. 2).
Таблица 2
Состав бетонной смеси
Расход составляющих, кг на 1 м бетонной смеси
цемент песок щебень Минеральная добавка Химическая добавка* Вода
400 930 930 44 10,36 170
*Дозировка пластификатора приведена в расчете на раствор 30 % концентрации от общей массы «цемент + микрокремнезем».
ОЦЕНКА УДЕЛЬНОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ЦЕМЕНТА
Для определения тепловыделения цемента была использована разработанная в БНТУ установка (рис. 1). Принцип проведения испытаний примерно аналогичен определению теплоты гидратации цемента термосным методом. Однако от классической установки остается только один принцип - измерение кинетики изменения температуры, вначале обычно возрастающей, а затем плавно снижающейся. Для фиксации изменяющейся температуры использованы малогабаритные беспроводные датчики ББ 1921 системы «Термохрон», показавшие свою эффективность при исследовании тепловых процессов [9,10].
Влияние начального водосодержания и пластифицирующей добавки на кинетику тепловыделения цемента оценивали на цементном тесте с водоцементным отношением цементного от 0,275 до 0,5, что соответствует водосодержанию (Х) от 1 до 1,8. Для
оценки влияния пластифицирующей добавки в цементное тесто (при указанных выше водоцементных отношения) вводили добавку в количестве 1 % от массы цемента по сухому веществу. Количество воды при этом оставалось постоянным. На рисунках 2 и 3 приведены результаты по оценке изменения температуры цементного теста твердеющего в калориметре в течение 40 часов.
Рисунок 1. Схема установки для определения кинетики изменения температуры
твердеющего цементного теста
"Г
2С
Время, часы
Рисунок 2. Изменение температуры при твердении цементного теста с водоцементным отношением 0,275 и 0,36 без добавки и с добавкой пластификатора
Анализ приведенных на рисунках 2 и 3 данных показывает, что с увеличением водоцементного отношения максимальная температура «саморазогрева» цементного теста закономерно снижается.
20 Н-1-1-1-1
0 10 20 30 40
Время, ча^ы
Рисунок 3. Изменение температуры при твердении цементного теста с водоцементным отношением 0,4 и 0,5 без добавки и с добавкой пластификатора
Это связано с уменьшение количества вяжущего в объеме цементного теста при увеличении В/Ц. Введение пластифицирующей добавки позволяет: во-первых, снизить максимальную температуру «саморазогрева» и тем больше, чем выше водоцементное отношение и во-вторых, существенно замедлить время достижения максимальной температуры «саморазогрева».
После обработки экспериментальных данных на рисунках 4 и 5 представлены кривые удельного тепловыделения цемента.
О 10 ¿0 ЗС 40
Время= часы
Рисунок 4. Удельное тепловыделение цемента во времени (для цементного теста с водоцементным отношением 0,275 и 0,36 без добавки и с добавкой пластификатора)
С 1С 20 ЗС 4С
Время, часы
Рисунок 5. Удельное тепловыделение цемента во времени (для цементного теста с водоцементным отношением 0,4 и 0,5 без добавки и с добавкой пластификатора)
Анализ данных на рисунках 4 и 5 показывает, что введение пластифицирующей добавки в количестве 1 % от массы цемента позволяет существенно замедлить тепловыделение цемента в первые сутки твердения. В дальнейшем (после торможения) величина тепловыделение цемента с добавкой либо равна, либо превосходит величину тепловыделения цемента без добавки (например, для состава с ВЦ=0,275).
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОНА МАССИВНОЙ
КОНСТРУКЦИИ
В расчетах термонапряженного состояния массивных бетонных конструкций последовательно решаются две задачи:
- определение температурных полей (термическая задача);
- установление напряжений в бетоне, возникающих от изменения температуры и ее неравномерного распределения.
Для расчета температурных полей в твердеющем бетоне за основу принимают дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье для систем с внутренними равномерно распределенными источниками тепла [11]:
ж 1 д<
— = aV2í +---— (1)
Ж х су дх ' ()
где а - коэффициент температуропроводности;
V2 - оператор Лапласа;
с - удельная теплоемкость;
У - плотность.
Расчеты температурных полей производят по методу конечных разностей.
Удельное тепловыделение цемента (бетона) определенное экспериментально, пересчитывают на изотермическое тепловыделение (при постоянной температуре) получая уравнение следующего вида [11]:
2 = 2
1 -(1 + А
V-0,833
20
(2)
где Q - текущее тепловыделение бетона; Отах - максимальное тепловыделение бетона;
А20 - коэффициент темпа тепловыделения бетона при постоянной температуре твердения (20 0С), сут-1.
Изменение темпа (скорости) тепловыделения в зависимости от изменения температуры бетона учитывают коэффициентом (Л{) , который определяют по формуле [11]:
t-20
А - А20 • 2^°", (3)
Повышение температуры в заданном сечении за интервал времени Дт вследствие тепловыделения определяли по формуле [11]:
д / _ Отах д„
ДtО ---Ае (4)
су '
где Ае - коэффициент темпа тепловыделения бетона при постоянной температуре
0 1 твердения (20 С), сут- .
В (4) Ае - приращение относительного тепловыделения бетона за интервал времени Ах , которое определяют по формуле [11]:
АВ-8х-8х-ах , (5)
В (5) £х - относительное тепловыделение бетона к моменту времени X , которое, в свою очередь, определяют по формуле [11]:
Р - Ох
Рх- О-, (6)
Отах
Выполнив расчеты температурных полей в бетонном массиве, переходят к расчету термонапряженного состояния. Для этого определяют температурные напряжения [1]:
а - Е • а • Аt, (7)
где Е - модуль упругости бетона, МПа;
а - коэффициент линейного расширения бетона, 1/0С; Аt - перепад температуры, 0С. Изменение модуля упругости бетона по времени учитывалось по формуле [11]:
Е(х)-Ео .(1 , (8)
где - значение модуля упругости бетона при прочности, соответствующей Е0 проектному классу, МПа;
О, Р - параметры, зависящие от вида бетона, могут быть приняты равными соответственно 1,0 и 0,0086; X - время твердения, ч.
РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ТВЕРДЕНИИ БЕТОНА МАССИВНОЙ
КОНСТРУКЦИИ
Расчет температурных полей в твердеющем бетоне проводили методом конечных разностей [11] с использованием ПЭВМ. Расчеты проводили по сечениям, количество и высоту которых, назначали исходя из максимальной высоты конструкции (3,5 м) и предполагаемой схемы бетонирования (непрерывное бетонирование горизонтальными слоями со скоростью 1 м/сут). Количество сечений было принято равным семи при толщине каждого сечения 500 мм. Причем за температуру основания второго и последующего слоя принимали среднюю температуру нижнего слоя к моменту начала
бетонирования второго и последующих слоев.
На рисунках 6 и 7 представлены обобщенные результаты расчета изменения температуры в сечениях бетонного массива в течение 10 суток твердения при температуре 20 и 15 0С соответственно.
Анализ данных приведенных на рисунках 6 и 7 свидетельствует о том, что максимальный перепад температур не превышает 240С и 17 0С при среднесуточной температуре наружного воздуха соответственно 200С и 150С, средняя температура по сечению бетонного массива составила соответственно 500С и 350С.
На рисунке 8 приведены результаты расчета температурных полей в наиболее
«опасных» сечениях бетонного массива при твердении наружного воздуха 15 и 20 °С.
80
со средней температурой
4
а * *" 1 1 " "с , ( """ ** " -
/П / ^^ \ --------
•0,2 5 м
----0,75 м
- • -1,2 5 м
--1,75 м
......2.25 м
—■-2,75 м
—•-3,2 5 м
4 6
Время твердения, сут
Рисунок 6. Расчетное изменение температуры по сечениям бетонного массива при твердении в течение 10 суток при среднесуточной температуре наружного воздуха и
температуре бетонной смеси 20°С
45
и 40
я? а.
га 35
о.
01
С
£
£ 30
.........
а г -- / ■ \ V. I/ ^ ■ \ \
/ / ' 1 1 Чч-/
//1 1 //,( г V-
-0,25 м
----0,75 м
- • -1,25 м
--1,75 м
......2.25м
—■—2,75 м —«—3,25 м
4 6
Время твердения, сут
Рисунок 7. Расчетное изменение температуры по сечениям бетонного массива при твердении в течение 10 суток при среднесуточной температуре наружного воздуха и
температуре бетонной смеси 15°С
Рисунок 8. Расчетное изменение температуры в сечениях «1,75 м» и «2,75 м»
бетонного массива при среднесуточной температуре 15 С и 200С
ОЦЕНКА ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННОГО МАССИВА
Согласно расчетным данным, приведенным на рисунках 6 и 7 максимальный перепад температуры возможен между сечениями «2,75 м» и «3,25 м» и «1,75 м» и «2,75 м» соответственно. Перепадом температур между сечениями «2,75 м» и «3,25 м» можно управлять, изменяя (снижая) величину теплоотдачи верхнего слоя конструкции. Таким образом, оценку температурных напряжений проводили для сечений бетонного массива («1,75 м» и «2,75 м»), между которыми возможен максимальный перепад температур и, влиять на которые технологически не представляется возможным. Результаты расчета сведены в таблицу 3.
Таблица 3
Расчетные значения температурных напряжений в сечениях
«1,75 м» и «2,75 м» бетонного массива_
Время Исходные данные и расчетные температурные напряжения в бетонном
твердения, массиве при температуре твердения
сут 15 0С 20 0С
Д£ ВД с, мПа Д1: ВД (Г, мПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 - - - - - - - -
0,5 - - - - - - - -
1,0 12 37000 6900 0,69 18 37000 6900 1,24
2,0 16 37000 12514 2,00 24 37000 12514 3,00
3,0 17 37000 17080 2,90 20 37000 17080 3,42
4,0 15 37000 20795 3,11 16 37000 20795 3,33
5,0 11 37000 23817 2,62 12 37000 23817 2,85
Анализ данных приведенных в таблице 7 показывает, что максимальное значение температурных напряжений наблюдается при среднесуточной температуре наружного воздуха 20 0С в возрасте около 3 суток твердения, а при среднесуточной температуре
наружного воздуха 15 С - около 4 суток твердения.
Для оценки вероятности образования трещин в бетонном массиве в наиболее опасных сечениях «1,75 м» и «2,75 необходимо иметь значение прочности бетона на осевое растяжение.
С достаточной для практических целей точностью, прочность бетона на осевое растяжение можно определить по формуле:
где [с.иЬв - прочность бетона на сжатие, МПа.
Для определения значения прочности бетона на сжатие в эквивалентном возрасте использовали ранее полученные результаты по оценке кинетики твердения бетона [6]. Прочность бетона на сжатие определяли интерполяцией в зависимости от возраста и средней температуры твердения бетона, которую, в свою очередь, также определяли интерполяцией по результатам расчета температурных полей в бетонном массиве.
В таблице 4 приведены результаты расчета прочности на осевое растяжение бетона и температурных деформаций в двух сечениях бетонного массива при твердении со средней температурой наружного воздуха 15 0С и 20 0С.
Таблица 4
Расчетные значения прочности бетона на осевое растяжение и температурных деформаций бетонного массива в сечениях «1,75 м» и «2,75 м»
Время тверде Разность расчетных значений прочности на осевое растяжение и температурных деформаций бетона фундаментной плиты
ния, при температуре твердения
сут 15 0С в сечениях 20 0С в сечениях
«1,75 м» «2,75 м» «1,75 м» «2,75 м»
fct G fct а fct G fct 0" (fct-*)
0 - - - - - - - - - - - -
0,5 - - - - - - - - - - - -
1,0 1,6 0,7 0,9 2,3 0,7 1,6 2,3 1,2 1,1 2,9 1,2 1,7
2,0 2,3 2,0 0,3 3,1 2,0 1,1 3,1 3,0 0,1 3,3 3,0 0,3
3,0 3,0 2,9 0,1 3,4 2,9 0,5 3,4 3,4 0 3,5 3,4 0,1
4,0 3,3 3,1 0,2 3,5 3,1 0,4 3,5 3,3 0,2 3,5 3,3 0,2
5,0 3,4 2,6 0,8 3,5 2,6 0,9 3,5 2,8 0,7 3,6 2,8 0,8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные расчеты по оценке термонапряженного состояния бетонного массива конструкции толщиной 3,5 м показали, что наиболее «опасным» сечением с позиции образования температурных трещин является сечение, расположенное на высоте 1,75 метра от нижней части конструкции (табл. 3). Вероятность образования температурных трещин снижается при уменьшении среднесуточной температуры наружного воздуха (табл. 4). Рекомендуемая среднесуточная температура наружного воздуха при бетонировании конструкции не должна превышать 15 0С.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ahmad S., Iqbal S., Bukhari I.A. Controlling temperatures in mass concrete // 34th Conference on our world in concrete & structures 16-18 August 2009. 2009. 9 p.
2. Barbara K., Maciej B., Maciej P., Aneta Z. Analysis of cracking risk in early age mass
concrete with different aggregate types // Procedia Engineering. 2017. Vol. 193. Pp. 234-241. DOI: 10.1016/j. proeng.2017.06.209.
3. Анискин Н.А., Нгуен Хоанг. Прогноз трещинообразования бетонных массивных плотин при возведении в суровых климатических условиях // Вестник МГСУ. 2014. № 8. С. 165-178. DOI: 10.22227/1997-0935.2014.8.165-178.
4. Анискин Н.А., Нгуен Хоанг. Определение температурного поля и термонапряженного состояния укладываемого бетонного массива методом конечных элементов.// Вестник МГСУ. 2018. № 11. С. 1407-1418.
5. Tu A.D., Adrian M.L., Mang T., Michael J.B. Importance of insulation at the bottom of mass concrete placed on soil with high groundwater // Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 2013. Vol. 2342. Issue 1. Pp. 113-120. DOI: 10.3141/2342-14.
6. Отчет о НИР на тему: «Разработать составы бетона, провести расчет термонапряженного состояния в процессе его твердения и осуществить контроль качества при возведении конструкции фундаментной плиты высотного здания на объекте «Строительство многофункционального комплекса в г.Минске в границах ул. Филимонова - просп.Независимости - ул.Макаенка» по х/д № 2917/20кбр. Научный руководитель -Батяновский Э.И. Этап 1.
7. Мчедлов-Петросян О.П., Ушеров-Маршак А.В., Урженко А.М. Тепловыделение при твердении вяжущих веществ и бетонов. - М.: Стройиздат, 1984. -225 с.
8. Бибик М.С., Бабицкий В.В. Общие принципы проектирования энергосберегающих режимов тепловой обработки железобетонных изделий в ямных пропарочных камерах // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров: сб. науч. ст. —- Гродно, 2010. - С. 292-296.
9. Бибик М.С., Бабицкий В.В. Оценка кинетики твердения цементного камня с использованием термодатчиков системы «Термохрон» // Строительная наука и техника. -2010. - №4(31). - с. 23-26.
10. Бибик М.С., Бабицкий В.В. Об энергосберегающих режимах тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий // Строительная наука и техника. - 2010. -№4(31). - с. 55-59.
11. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. -Ленинград: Издательство литературы по строительству, 1966. - 313 с.
