CC BY
13
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 1 (10)
строительство и архитектура
УДК 691.327, 539.421
Н.В. Макарова, М.В. Полоник
МАКАРОВА НАТАЛЬЯ ВАЛЕНТИНОВНА - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории необратимого деформирования (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток). E-mail: maknat@bk.ru ПОЛОНИК МАРИНА ВАСИЛЬЕВНА - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории необратимого деформирования (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток).
УЧЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ИСТИРАНИЯ БЕТОНА НА МИКРО- И МЕЗОУРОВНЯХ
Представлена модель изнашивания бетона как композиционного материала на основе теоретических и экспериментальных методов механики контактного взаимодействия. Предложенная модель позволяет прогнозировать стойкость к истиранию бетонной поверхности в зависимости от свойств цемен-тно-песчаной матрицы и крупного заполнителя. Экспериментальные результаты согласуются с результатами теоретических расчетов. Выполненные исследования позволили получить износостойкие бетоны без дополнительного укрепления их поверхностей. Ключевые слова: износ, истирание, бетонная поверхность.
Modeling of the wear on the concrete at the micro- and mesolevels on the basis of experimental findings. Natalya V. Makarova, Marina V. Polonik (Institute for Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).
In this paper a wear model of concrete as composites on the basis of the theoretical and experimental contact mechanics methods approach is presented. The proposed model predicts that its abrasion strength depends on structural and compositional parameters of concrete surface and characteristics of border matrix and coarse aggregate. The experimental results support these theoretical predictions. This research has allowed receiving the flowing abrasion-resistant concretes without additional hardening of its surface. Key words: wear, abrasion, concrete surface.
Несмотря на то что проблема изнашивания бетонной поверхности, подвергающейся истирающему воздействию, на практике возникает довольно часто, сопротивление истиранию до настоящего времени остается наименее изученным свойством такого материала. При моделировании процесса истирания возникают проблемы, в первую очередь связанные с существенной неоднородностью материала. Модели изнашивания бетона с учетом его структуры отражены в работах, где износ поверхности представлен как результат выпадения зерен заполнителя из цементно-песчаной матрицы при оголении их на определенную величину, сопоставимую с размером крупного заполнителя [5, 7]. В то же время на протяжении достаточно длительного эксплуатационного периода конструкций истирание поверхности
© Макарова Н.В., Полоник М.В., 2012
происходит только за счет износа тонких приповерхностных слоев. В связи с этим достаточно сложно выбрать критерии разрушения при моделировании процесса изнашивания бетонной поверхности на различных структурных уровнях.
Для начала необходимо привести экспериментальное обоснование выбора принятых структурных уровней. Процесс изнашивания, согласно [3, 6], может быть разделен на следующие стадии.
Стадия I - начальная. Происходит процесс изнашивания цементного камня, соль-ватных оболочек и обнажение зерен крупного и мелкого заполнителей. Моделирование процесса истирания не представляется трудным; поверхность бетона может быть принята однородной.
Стадия II - нормальная эксплуатационная. На этой стадии происходит процесс истирания зерен крупного заполнителя и цементно-песчаной матрицы, причем с разной скоростью, зависящей от их физических свойств. После обнажения поверхности зерен крупного заполнителя поверхность представлена совокупностью областей с различными трибологическими характеристиками.
Стадия III - разрушения поверхности бетона. Здесь возможны два случая: случай 1 -происходит усталостное разрушение матрицы (объемное микрорастрескивание) между зернами крупного заполнителя, приводящее к их выпадению, что характерно для бетона с малопрочной цементно-песчаной матрицей; случай 2 - прорастание усталостной макротрещины на границе между зернами крупного заполнителя и цементно-песчаной матрицей, что характерно для высокопрочных бетонов.
Для экспериментального исследования механизма истирания бетона с целью уточнения границ применения математических моделей был проведен ряд опытов с использованием истирающего круга ЛКИ-3 по стандартной методике (ГОСТ 13087) [2]. Полный путь бетонного образца на вращающемся круге - 600 м, состоит из 20 циклов, по 30 м при вертикальном давлении на образец 60-1 кПа. Перед каждым из циклов поверхность очищалась, наносился новый абразивный материал, но в отличие от стандартной методики образцы не меняли своего положения. На боковую поверхность образцов, предварительно отшлифованную до обнажения зерен крупного заполнителя, наклеивались электротензорезисторы. В предварительных экспериментах использовались датчики с базой 10-15 мм, которые наклеивались на различной высоте над истираемой гранью, параллельно последней.
В результате установлено, что в определенный, достаточно продолжительный период времени горизонтальные деформации материала незначительны, и стабильны стадии I и II. Затем происходило скачкообразное увеличение величины и амплитуды деформаций (переход в стадию III), причем наибольшие горизонтальные деформации наблюдались на высоте 0,7-1,5 максимального размера крупного заполнителя, а не в непосредственной близости от истираемой грани, что можно объяснить работой сил трения. В датчиках, проходящих через одну или две контактные зоны, деформации были больше, чем в датчиках, нанесенных на цементно-песчаную матрицу между зернами, что можно объяснить концентрацией напряжений вокруг жестких включений. Для исследования развития усталостной трещины в приповерхностной зоне был отобран образец с удобно расположенным зерном. Датчики с базой 1 мм наклеивались параллельно истираемой грани на контактную зону «матрица-зерно заполнителя». Результаты эксперимента [3] показали, что причиной прорастания трещины на контакте является достижение относительными деформациями предельных для бетона значений, трещина прорастает постепенно с определенной скоростью, зависящей от пути. Подводя итоги выполненных экспериментальных исследований, можно сделать вывод:
процесс износа поверхности бетона на начальных этапах (стадия I, II) происходит в достаточно тонких (< 1 мм) слоях и не приводит к изменению структуры материала в приповерхностной зоне. Скорость истирания здесь зависит от трибологических характеристик поверхности. Это дает возможность более гибкого использования математического аппарата механики контактного взаимодействия.
Моделирование процесса истирания, исходя из полученных экспериментальных данных, в начальной (I) стадии не представляется сложным: бетон может рассматриваться как однородное тело. Степень изнашивания задается - дwJдt и зависит от скорости V, давления р на контакте поверхности, твердости материала Н, а также от параметров, имеющих определенное значение для каждого механизма процесса изнашивания и используемых для его моделирования.
При дальнейшем процессе истирания (стадия II) происходит неравномерное изнашивание материала с неоднородной структурой. Более мягкая структура мелкого заполнителя цементной матрицы разрушается, в результате чего достаточно ровная поверхность становится волнообразной - зерна крупного заполнителя обнажаются на поверхности. Как показывает эксперимент, применение предыдущей модели невозможно. В этой стадии процесс изнашивания должен рассматриваться одновременно на микроуровне - истирание поверхности заполнителя; и мезоуровне - разрушение цементной матрицы, которое и приводит к изменению формы поверхности.
Приняв давление р и скорость V постоянными, для исследования процесса изнашивания бетона с учетом его неоднородности будем использовать математические инструменты механики контактного взаимодействия [1]. Поверхность бетона представим как упругое полупространство с областью й, усиленной в круговых областях Юу радиуса a, в узлах квадратной решетки с шагом /. Примем к
Ю = Юу
]=1
(40-60% для бетона) - общая площадь упрочненных областей, Кт1, К02 ( Кт1 > К^) - параметры, характеризующие степень износа неупрочненных и упрочненных областей соответственно. Параметр т = К02 / К01 (0,3-0,9 для бетона) характеризует степень упрочнения поверхности. Параметр а = а// характеризует геометрические параметры поверхности, Р<ж - значение установившейся нагрузки на периоде /.
Функция истирания _Дх, у) изношенной поверхности полупространства бетона й на данной стадии деформирования имеет вид:
Я ( л
Кх У) = т,-=т\I т2 Я ф(х' У' Х1' У1 +11 ф(х>у>х1> У1
(1 + т2п а2 Д У " ,
ф(х,У'Х1'У1) = ((х-Х1 )2 +(у-У1 )2)1/2' Я = (1 -V2т2 = т~1/а -1.
Определяя перепад значений функции у) в точках экстремума на одном периоде /, можно определить зависимость амплитуды Ь волны от параметров а и т.
Графики функции L/X (сплошные линии) при различных значениях параметра т представлены на рис. 1. Другой важнейшей характеристикой на изношенной поверхности является площадь диагонального сечения Зависимости безразмерной площади S/X от параметра а при различных значениях т приведены на рис. 1 (штриховые линии).
0.6
0.5
0.45
г
^ «»» -г 5' г"* ^ ** *
^ —
**
..... ^ *** 2'__— " //*/'
___ б" IV III 2 ____1 Я'
'з" —
и ______-1
I - 4 к- ■——
а
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Рис. 1. Зависимости амплитуды L волны (сплошные линии) и площади S впадин (штриховые линии) от параметра а : m = 0.9(I, I"), m = 0.85(7/, II"), m = 0.7(III, III'), m = 0.65(IV, IV'), m = 0.55(V, V')
Варьируя значениями а и m, можно получить оптимальные соотношения данных параметров упрочнения поверхности (рис. 1), что позволяет сформулировать конкретные рекомендации для подбора состава и технологических параметров бетонов с высокой стойкостью к истиранию.
В [4] показано, что полученные численные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Трибологические характеристики поверхности бетона, полученные после испытаний (рис. 2), приведены в таблице.
G,
г/см2 1,5
0,5
/ 5 / /
/ / / / _ *
/ / / у. • 2
/ /у/ К >>
s, м
0 100 200 300 400 500 600
Рис. 2. Результаты экспериментального определения истираемости образцов бетона
составов 1-5
Состав бетона m a
1 0,65 0,35
2 0,70 0,30
3 0,80 0,35
4 0,90 0,30
5 0,55 0,35
На рис. 2 для сравнения приведены точки (1,1'), (2,2'), (3,3'), (4,4'), (5,5'), соответствующие трибологичесим характеристикам образцов бетона составов 1-5, представленным в таблице. Так, наиболее износостойкий бетон (состав 4) имеет, в соответствии с моделью, наименьшие L и S; наоборот, меньшую износостойкость показал бетон состава 5, для которого из представленных образцов полученные L и S максимальны.
Следует отметить, что накопление экспериментальных данных по исследованию процесса деградации приповерхностного слоя бетона при истирании с учетом его структуры позволит уточнить расчетные модели, используемые как для проектирования оптимальных бетонных композиций, так и для оценки ресурса конструкций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.
2. ГОСТ 13087-81. Бетоны. Методы определения истираемости.
3. Макарова Н.В. Об учете неоднородности при моделировании процесса истирания бетона // Вестн. гражданских инженеров. 2009. № 3. C. 137-139.
4. Макарова Н.В., Полоник М.В. К проблеме учета неоднородности при моделировании процесса истирания бетона // Вестн. ЧГПУ им. И.Я. Яковлева. Сер. Механика предельного состояния. Проблемы нелинейной механики и неупругого деформирования твердых тел. 2010. № 2. С. 326-332.
5. Itoh Y., Yoshida A., Tsuchiya M., Katoh К. An experimental study on abrasion of concrete due to sea ice // Proc. of Offshore Technology Conference, 2-5 May 1988. 1988. P. 297-305.
6. Makarova N.V. Experimental and theoretical investigation on abrasion strength of concrete // Assessment of Reliability of Materials and Structures: Problems and Solutions: Proceedings of the Intern. Conference. SPb.: Polytechnic Univ. Publ., 2008. P. 219-224.
7. Saeki H., Asai K. Saeki H., Izumi Y., Takeuchi Т. Study of the Abrasion of Concrete due to Sea Ice // 20th Marine Develop. Symp., Japan, 1988.
