Mechanics of Durability of Structural Concrete: a New Approach to the Phenomenon of Degradation. Part 1. Shrinkage

Full Text

Научная школа коррозии бетона и железобетона Советского Союза по праву была признана лидером в мировом профессиональном сообществе, что концептуально зафиксировано в двух основополагающих научных трудах [1, 2].

В США, стране с давно налаженной инфраструктурой, плохое обслуживание и ремонт стали причиной поломок мостов и обрушения плит, что нанесло большой ущерб [3]. Совсем недавно в Северной Америке коррозия арматурой стали и комбинированные действия замерзания и оттаивания вызвали несколько обрушений мостов.

Советский союз, Белорусская Советская Социа- листическая Республика пережили строитель- ный бум в период высокого экономического роста 60–80-х гг., когда было построено большое количество объектов, включая массивные бетонные конструкции. В этот период был впервые применен бетононасос, что привело к высокому содержанию воды в бетоне. Выявлены также проблемы растрес- кивания, вызванные гидратационным теплом. До 1980 г. хлоридная агрессия и щелочно-агрегатная реакция не воспринимались так серьезно, как сегодня [4–6], и руководящие стандарты не могли четко их описать. В связи с этим возникла серьезная проблема деградации на ранних стадиях. Механизмы возникновения и развития деградации изучаются по сей день.

Деградация на ранней стадии развивается в сочетании с несколькими факторами: попаданием вредных веществ в структуру пор, образующихся в ходе реакций гидратации; реакциями между вредными веществами и продуктами гидратации или армирующими сталями; накоплением повреждений, включая трещины, связанные с повышением температуры, вызванным гидратацией, аутогенной усадкой, усадкой высыхания в зависимости от внешней среды и нагрузки. Сложность этих факторов также усугуб- ляется различными химическими и физическими взаимодействиями. Срок службы бетонных конструкций определяют физико-химические взаимодействия и их соединения.

Автор статьи является последовательным сторонником механики долговечности, которая была впервые сформулирована на VI CONCREEP в 2001 г. профессором Ульмом как новая дисциплина инженерной механики, связанная с деградацией на ранней стадии и рядом критических проблем безопасного и экономичного хранения опасных отходов [7]. Механика долговечности впервые органически объединила три области: кинетика деградации; химиомеханические связи на уровне материалов; профилактика, диагностика, прогноз на уровне конструкции.

Благодаря подходу Ульма и исходя из огромного количества исследований в мире, можно определить независимую механику долговечности как дисциплину, где оценка работоспособности бетонных конструкций рассматривается с помощью микромакроскопических химиофизических моделей с учетом сложных связей материалов и конструкций в пространственно-временном континууме.

Предлагаемое новое определение «Механика долговечности»

По зависящему от времени поведению материалов на основе цемента предложено следующее переопределение механики долговечности на основе предложения [7], чтобы систематизировать каждый фактор износа и привести к прогнозированию и оценке структурных характеристик бетонных конструкций: «Механика долговечности бетонных конструкций является одной из академических дисциплин инженерной механики для систематического прогнозирования и оценки зависящего от времени поведения конструкционного бетона и железобетонных конструкций, при котором химиомеханический износ цементирующих материалов с течением времени вследствие химических реакций, действия окружающей среды и внешних нагрузок может быть описан физико-химическими моделями реакции переноса, разрушения и их сцепления, а также работоспособности бетонных конструкций с течением времени, а также может быть спрогнозирована с помощью конститутивных моделей изнашивающихся материалов».

Анализ состояния вопроса

Подход к механике долговечности.

На рис. 1 показан подход к материализации механики долговечности. Систематизированы причина, механизм и эффект связи в процессе независимого от времени износа бетона и бетонных конструкций, включая последствия воздействия окружающей среды и внешней нагрузки.

Рис. 1. Подход к механике долговечности

Fig. 1. Approach to the mechanics of durability

Предварительным шагом к материализации концепции механики долговечности является блок-схема, описывающая процесс износа путем переупорядочения соответствующей информации. Далее была составлена структура зависимых от времени процессов: 1 – производства, изменения и потребления веществ; 2 – транспорта веществ; 3 – материальных и структурных свойств; 4 – их взаимодействия, получившая название «Механика долговечности». Суммируются элементные модели, описывающие явления, приводящие к деградации, и методы прогнозирования для каждого деградационного процесса. Наконец, приведены примеры взаимодействия между свойствами материалов и структурными характеристиками, а также моделирование и имитация структурных характеристик.

На рис. 2 представлена блок-схема, описывающая всю систему механики долговечности. К этому показателю относится процесс перед бетонированием, поскольку качество строительства существенно влияет на качество затвердевшего бетона.

Рис. 2. Процесс трещинообразования из-за тепловыделения

Fig. 2. The process of cracking due to heat release

Применение механики долговечности к проблемам деградации

Представлены подходы к каждому явлению деградации с точки зрения механики долговечности. Поскольку работоспособность железобетонных конструкций, а также конструкций с материалами на основе цемента должна оцениваться через конструктивные характеристики, обсуждается не только сам процесс деградации, но и соответствующие изменения конструктивных характеристик.

Механизмы трещинообразования.

Растрескивание из-за тепловыделения объясняется следующими процессами: изменение объема бетона; повышение напряжения при ограничении изменения объема.

Трещинообразование из-за тепловыделения, которое часто наблюдается в массивном бетоне, вызвано изменением объема, определяемым разницей температуры и тепловым коэффициентом бетона.

Усадочное трещинообразование вызвано усадкой бетона. Механизм усадки анализируется на основе трех известных теорий: капиллярного натяжения, разъединяющего давления и поверхностного натяжения гидратов коллоидного цемента [8]. В случае испарения воды с поверхности бетона используется термин «усадка сушки», а в случае процессов, происходящих в толще смеси, используется термин «аутогенная усадка», хотя механизмы обычно считают- ся одинаковыми. Процессы растрескивания из-за тепловыделения и усадки представлены на рис. 2 и 3 соответственно.

Рис. 3. Процесс трещинообразования из-за усадки

Fig. 3. The process of cracking due to shrinkage

Подход к механике долговечности

Система гидратации. Прогнозирование гидратации цемента является фундаментальным и важным для оценки работоспособности бетона, особенно тепловыделения, содержания воды в системе и микроструктуры матрицы цементной пасты. Это также способствует оценке зависящего от времени поведения бетона в раннем возрасте.

Прогнозирование скорости гидратации цемента является одной из основных проблем не только химии цемента, но и бетоноведения. Модель Кондо [9] известна как модель классических исследований в области химии цемента. Исследование применения модели гидратации в области бетонотехники Томосавой [10] стимулировало области химии и бетоноведения. За последние несколько десятилетий появилось несколько моделей гидратации, включая HYMOSTRUC (Van Breugel K. Modeling of Hydration and Structure Formation in the Strengthening of Cement-Based Materials), CEMHYD3D (Bentz, 1997), DuCOM (Kishi & Maekawa, 1994).

Прогнозирование температуры. Распределение температуры в бетонных элементах обычно оценивается с помощью нестационарного анализа теплопроводности:

$\rho с\frac{\partial Т}{\partial t}=-div\left(-gradT\right)+Q\left(t\right)$, (1)

где ρ – плотность бетона; c – теплоемкость бетона; T – температура; t – время; Q(t) – скорость теплообразования бетона.

Что касается терминов тепловыделения, то широко используется адиабатическая кривая повышения температуры. Принят следующий тип уравнения:

Q(t) = K(1 − e^-αt ), (2)

где Q(t) – адиабатическая температура бетона; K – конечная температура; α – коэффициент скорости повышения температуры. K и α обычно представляются как функция типа цемента и температуры свежего бетона.

В последнее время прогнозирование этого адиабатического повышения температуры осуществляется с помощью моделей гидратации.

Постоянные значения теплопроводности и теплоемкости бетона обычно используются в анализе нестационарной теплопроводности, в то время как в реальности теплопередача наблюдается в твердой, жидкой и паровой фазах. В целях обеспечения высокой точности прогнозирования связь тепла и влаги следует моделировать с помощью модели гидратации [11].

Изменение объема бетона вследствие изменения температуры. Необходима оценка изменения объ- ема бетона вследствие изменения температуры и коэффициента теплового расширения. Коэффициент теплового расширения уменьшается до времени схватывания и увеличивается после этого постепенно [12]. На коэффициент теплового расширения бетона влияет содержание воды (Meyers S.L. Thermal expansion characteristics of hardened cement paste and concrete, 1951) и тип заполнителя (Neville A.M. Properties of Concrete, 1995). Точное изменение коэффициента теплового расширения, зависящее от времени, способствует оценке риска трещинообразования на поверхности массивного бетона.

Аутогенная усадка. Бетон с низким водовяжущим отношением проявляет значительную аутогенную усадку. Этот тип бетона обычно используется с большим количеством цемента в единичном объеме, и поэтому он испытывает относительно высокий подъем температуры в раннем возрасте. Важное значение имеет оценка аутогенной усадки в конструкциях реального размера, разделение температурной деформации и аутогенной усадки.

Существует несколько моделей аутогенной усадки, основанных на модели гидратации. Авторы [13, 14] используют теорию поверхностного натяжения, подход к которой аналогичен мюнхенской модели, предложенной Витманом (Wittmann F.H. Mechanism of creep and shrinkage, creep and shrinkage in concrete structures, 1982). Математическое выражение выглядит следующим образом:

$\frac{\partial {\epsilon }_{sh}}{\partial \alpha }=\lambda \cdot \frac{\partial \gamma }{\partial \alpha }$; (3)

$\lambda =\frac{\Sigma \cdot \rho }{3E}$; (4)

$\gamma =RT\underset{{\rho }_{g/{\rho }_0}}{\overset{{\rho }_{g/{\rho }_0=1}}{}}\text{Γ}dln\left({\rho }_g/{\rho }_0\right)$, (5)

где Γ – толщина слоя адсорбированной воды; ρ_g/ρ₀ – относительная влажность; Σ – площадь поверхности пористых сред; ρ – плотность пористых сред; E – модуль Юнга матрицы.

В 1992 г. (Shimomura T., Ozawa K. Analysis of water movement in concrete based on a micropore structural model) была смоделирована усадка цементной пасты или бетона следующими уравнениями использованием модели распределения размеров пор:

${\sigma }_s=A_s\frac{2\gamma }{r_s}$; (6)

${\epsilon }_{sh}=\frac{{\sigma }_s}{E_s},$, (7)

где σ_s – капиллярное натяжение; A_s – площадь, на которую влияет капиллярное натяжение (при условии, что оно равно содержанию воды в системе); r_s – радиус Кельвина; ε_sh – деформация усадки; E_s – соответствие бетона (1/4E_c используется для бетона).

Прогнозирование напряжения. Распределение напряжения в главном элементе обычно прогнозирует решение баланса сил между главным и связанными с ним членами. Метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ) и модель пружины твердого тела (МПТТ) часто используются для решения задач, связанных с напряжением. В то же время в случае массивного бетона широко используется метод компенсационной плоскости (МКП) (Tanabe T. Thermal stress analysis of massive concrete structures by the proposed compensation plane method, 1986). Этот метод основан на предположении о линейном распределении деформаций, которое компенсирует распределение деформаций из-за изменения температуры и результирующего сдерживающего напряжения. МКП учитывает влияние условия удержания изгиба и оценивает растрескивание от верхнего волокна целевого элемента.

Оценка деформации ползучести, которая учитывает тип бетона, В/Ц, возраст загрузки и другие факторы, повышает точность анализа напряжений в целом. Руководство по контролю трещинообразования массивного бетона использует эффективный метод модуля Юнга. Диапазон значений 0,36–0,5 предлагается для случаев повышения температуры из-за тепла, генерируемого гидратацией, а диапазон значе- ний 0,63–1,67 предлагается после достижения пика температуры.

В последнее время, когда накапливаются данные о ползучести в раннем возрасте, широко принята функция ползучести с учетом возраста загрузки и для прогнозирования напряжения также применяется пошаговый метод. Этот пошаговый метод основан на линейности ползучести по отношению к напряжению и идентификации сжимающей и растягивающей ползучести.

Ползучесть во время процесса гидратации является серьезной проблемой для трещинообразования в раннем возрасте. Ранее было предложено учитывать ползучесть затвердевающего материала с учетом действия вновь сформированных веществ.

Коллектив авторов (Kawasumi M., Seki S., Kasahara K., Kuriyama T. Creep of concrete in light of hydration of cement and viscosity of internal water, 1986) предложил модель ползучести в раннем возрасте, основанную на степени гидратации. Эта модель предполагала, что ползучесть бетона является неотъемлемым свойством CSH, а конечная деформация ползучести определяется количеством CSH в бетоне. Эта модель демонстрирует хорошее согласие с ползучестью бетона при разном возрасте загрузки, а также при различном В/Ц. Количественный подход был предложен Lokhorst, а также DuCOMCOM3 [15].

Аутогенной усадкой в массивном бетоне для анализа напряжений нельзя пренебрегать, особенно в случае использования специального связующего, такого как доменный шлак (Dilger W.H., Wang C. Shrinkage and creep of high performance concrete, 1995).

Оценка трещинообразования. Изучаемыми проблемами являются факторы трещинообразования, такие как возраст, ширина трещин и зависящее от времени распространение трещин. Что касается проблемы растрескивания в массивном бетоне, в 1986 г. (Nagataki S., Sato R. On prediction of thermal crack width by thermal hydration of cement) был предложен метод прогнозирования ширины трещины, который решает баланс сил между арматурой и бетоном с заданным соотношением напряжений в арматуре, жесткости связи и проскальзывания. Было предложено сочетание МКГ с МКЭ для прогнозирования ширины трещины. Кроме того, для решения этой проблемы также используется МПТТ с учетом зависящей от времени энергии разрушения бетона [16].

Риск трещинообразования экспериментально оценивается на TSTM (Springenschmid. R. Deve- lopment of the crack framework and temperature stress test machine, 1994), которые способны идеально сдерживать деформацию бетона и давать температурную историю элементов на реальных участках. Это экспериментальное оборудование широко используется во многих странах для оценки риска трещинообразования.

Микротрещины вокруг арматурных стержней вызваны аутогенной усадкой. Они значительно ухудшают жесткость связи в зоне переноса. Предложена зависящая от времени модель микротрещины для оценки напряжения бетонных элементов, включая трещинообразование в раннем возрасте.

Заключение

Предлагается новое определение и новый подход к механике долговечности, направленный на интеграцию огромного объема исследований, касающихся материальных и конструкционных вопросов, с использованием платформы под названием «Механика долговечности». Интегрируя связанную исследовательскую деятельность, этот подход помогает прояснить характеристики таких явлений, как сходство деградации и существование взаимодействий. В нем также подчеркивается необходимость стандартизации методов, моделирования значительных взаимодействий и предоставления экспериментальных данных для проверки. Такой подход к механике долговечности является амбициозной темой исследования, охватывающей все области бетоноведения, а также важной темой для решения проблемы долговечности бетонных конструкций.

About the authors

S. N. Leonovich

Author for correspondence.
Email: leonovichsn@tut.by

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Foreign Academician of RAACS

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Approach to the mechanics of durability

Download (153KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The process of cracking due to heat release

Download (118KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The process of cracking due to shrinkage

Download (105KB)

Indexing metadata