УДК 691.32

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БЕТОНА

Троян Вячеслав Васильевич
Киевский национальный университет строительства и архитектуры
к.т.н., доц.

Аннотация
Предложена иерархическая имитационная модель долговечности бетона по критериям морозостойкости, трещиностойкости и карбонизации.

Ключевые слова: бетон, долговечность, моделирование


SIMULATION OF CONCRETE DURABILITY

Troyan Vyacheslav Vasilevich
Kiev National University of Construction and Architecture
PhD, associate professor

Abstract
A hierarchical simulation model of durability of concrete for criteria frost resistance, crack resistance and carbonization proposed.

Keywords: concrete, durability, simulation


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Троян В.В. Имитационное моделирование долговечности бетона // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/46976 (дата обращения: 29.09.2017).

Введение

Современный уровень развития информационных технологий позволяет моделировать физико-механические свойства бетонов как функцию их внутреннего строения и внешних факторов в заданных условиях эксплуатации конструкций, определить наиболее эффективную структуру, а также оценить долговечность бетона без длительных экспериментов. Описание многоуровневых цементных систем возможно за счет применения структурно-имитационного моделирования методом конечных элементов (МКЭ) [1, 2]. Именно поэтому в последнее время сформировалось новое научное направление – “компьютерное материаловедение” [1-4], которое быстро развивается. Первая структурная модель бетона, содержащая зерна заполнителя расположенного в матрице цементного камня с вычислением распределения напряжений [5], получила развитие в работах B.T. Ерофеева, И.И. Меркулова, М.В. Бунина и др. [6, 7]. В развитие этого А.Н. Харитоновым [8] предложена методология структурно-имитационного моделирования бетона, включающая наноразмерный уровень. Главные направления исследований с использованием МКЭ реализуются в форме решения интегральных уравнений, отражающих математические модели температурно-механических и электрохимических систем и процессов. При этом важной составляющей исследования долговечности является изучение и математическое описание механизма развития микротрещин, которые влияют на скорость карбонизации, перенос хлоридов и последующие процессы на поверхности арматуры, приводящие к ее коррозии. 
Таким образом, целью данной работы является разработка имитационной модели долговечности бетона путем комплексной оценки воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов с учетом характера его пористости, и параметров трещинообразования.

Имитационная модель долговечности бетона

В общем случае предлагаемая имитационная модель долговечности бетона задается граничными условиями, которые определяются геометрией бетонной конструкции или ее части и предусматривает три иерархических уровня (рис. 1). На микроуровне, в качестве структурного параметра пригодного для моделирования МКЭ предлагается использование эффективной пористости бетона. Под эффективной пористостью ПЕ (рис.1, а) понимается часть открытых капиллярных пор и микротрещин бетона, в которых в реальных климатических условиях вода находится в «свободном» состоянии, то есть может переходить в лед при сезонном замораживании, удаляться при высыхании и насыщать поры при сезонном увлажнении бетона. Мезауровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ образования и развития термических и усадочных трещин в бетоне с использованием положений теории механики разрушения (рис. 1, б). Макроуровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ коррозии защитного слоя бетона, основываясь на законах диффузии с учетом изменения граничных условий при образовании трещин (рис. 1, в). Решение МКЭ иерархической имитационной модели долговечности бетона предусматривает моделирование термонапряженного состояния бетона и реальных климатических воздействий на конструкцию, результатом чего является прогнозируемая глубина деструкции бетона конструкции в течение проектного срока эксплуатации.

а) микроуровень
б) мезоуровень
в) макроуровень
Рис.1. Структурно-имитационная модель долговечности бетона 
а) – эффективная пористость бетона; 
б) – образование и развитие трещин в бетоне; 
в) – коррозия бетона в результате внешних воздействий.

Морозостойкость бетона при моделировании рассматривали как накопление повреждений, вызванных циклами объемных деформаций бетона вследствие замерзания в его порах льда до начала разрушения бетона. Поскольку циклы замораживания-оттаивания в реальных условиях происходят в широком спектре температур окружающей среды и сопровождаются образованием в порах бетона разного количества льда, при моделировании весь спектр возможных циклов замораживания-оттаивания бетона аналитически сводили к эквивалентному по разрушительному действию количеству циклов с замораживанием до минус 18 ± 2 °С, путем учета количества льда образующегося в порах по сечению бетона конструкции при различных температурах (рис.2).

Рис.2. Образование (оттаивание) льда в зависимости 
от температуры и прогнозируемая морозостойкость бетона

Для моделирования образования и развития трещин в бетоне была использована классическая модель Гриффитса – Ирвина. Параметры раскрытия трещин получали путем подбора параметров трещинообразования, при которых напряжение в системе минимальны или не приводят к дальнейшему развитию трещин (рис.3).

Рис. 3. Напряжение в поверхностном слое бетона в зависимости от глубины трещин

Условие начала роста трещины формулировались как достижение коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) в ее вершине критического значения Kic c (рис. 4,а). Соответственно условием прекращения роста трещины принимали снижение КИН в ее вершине ниже Kic. Анализ ширины раскрытия трещин (рис. 4,б) свидетельствует о их стабилизации на уровне 0,033 – 0,055мм.

а)
б)
Рис.4. КИН (а) и ширина раскрытия трещин (б) в зависимости от их глубины и шага трещинообразования

Повышение температуры бетона в результате саморазогрева при твердении или воздействия солнечной радиации, приводит к повышению парциального давления паров воды, вызывает ускорение диффузии воды из пор бетона в окружающую среду и ускоряет процессы усадки бетона. При таких условиях КИН в вершине трещин может превышать критическое значение Kic, при этом возможно образование трещин глубиной 8-14 см, с шириной раскрытия 0,035-0,06 мм. Таким образом, суммарная ширина раскрытия трещин вследствие термонапряженного состояния и усадки бетона может превышать 0,1 мм при их глубине более 100 мм. 
Глубина и ширина раскрытия трещин существенно влияет на глубину карбонизации защитного слоя бетона. В результате расчетов по модели было установлено увеличение глубины карбонизации защитного слоя бетона с увеличением глубины трещин. В условиях экспозиционного класса ХС4, в трещинах 0,2-0,3 мм фронт карбонизации может достигать поверхности арматуры через 50 лет эксплуатации, с последующей коррозией стали (рис. 5). Фронт карбонизации в трещинах шириной до 0,1 мм достигает поверхности арматуры через 100 лет эксплуатации (рис. 5).

Рис. 5. Изменение рН защитного слоя бетона нормальной проницаемости в зависимости от ширины раскрытия трещин
Выводы

Таким образом, при прогнозировании долговечности бетона комплексная оценка воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов, с учетом характера поровой структуры бетона, наличия и параметров микротрещин возможна путем построения иерархической имитационной модели и ее решение МКЭ. Универсальность законов диффузии описывающих процессы коррозии бетона обуславливает возможность использования имитационного моделирования при прогнозировании долговечности бетона при воздействии различных агрессивных сред. Изменение граничных условий в результате прогрессирующего трещинообразования требует формулировки нелинейной задачи для МКЭ или ряда линейных задач с различными граничными условиями, отражающими динамику процесса.


Библиографический список
  1. Кондращенко, В.И. Оптимизация составов и технологических параметров получения изделий брускового типа методами компьютерного материаловедения / Кондращенко В. И.// Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.05. М., 2005. – 48 с.
  2. Соломатов, В.И. Развитие полиструктурной теории композиционных строительных материалов Текст. / В.И. Соломатов // Известия вузов. Архитектура и строительство. -1985. №8. – С. 44-53.
  3. Баженов, Ю.М. Основные подходы к компьютерному материаловедению строительных композитных материалов Текст. / Ю.М. Баженов, В.А. Воробьёв, А.В. Илюхин // Строительные материалы. Наука. 2006. – № 7. – С. 2-4.
  4. Wittmann, F.H. Simulation and analysis of composite structures Text. / F.H. Wittmann, P.E. Roelfstra, H. Sadouki// Material Science Engineering. 1984. – № 68.-P. 239-248.
  5. Метод численного моделирования для исследования механики разрушения бетонов и изделий на их основе Текст. / В.Т. Ерофеев, И.И. Меркулов, А.И. Меркулов, Е.А. Митина, П.С. Ерофеев // Строительные материалы. 2006. – №4. – С. 72-75.
  6. Методика оптимизации композиционных строительных материалов с использованием метода конечных элементов / В.Т. Ерофеев, И.И. Меркулов, А.И. Меркулов, П.С. Ерофеев // Моделирование и оптимизация в материаловедении -МОК’45: сб. науч. работ. – Одесса: Изд-во «Астропринт», 2006. – С. 22.
  7. Бунин М.В. Структура и механические свойства дорожных цементных бетонов Текст. / М.В. Бунин, И.М. Грушко, А.Г. Ильин// Харьков, ХГУ, 1968. — 321 с.
  8. Харитонов, А. М. Структурно-имитационное моделирование в исследованиях свойств цементных композитов / Харитонов, А. М. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора наук. Санкт –Петербург 2009.


Все статьи автора «Троян Вячеслав Васильевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: